成長や縮小を示す「生後15週から100歳までの脳グラフ」

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成長や縮小を示す「生後15週から100歳までの脳グラフ」

ヒトの一生において、脳はどのような成長や衰退をしていくのでしょうか。
国際研究チームは生後15週から100歳までの脳グラフを作成し、脳の拡大と縮小の様子を示しました。

An international team of researchers has created a series of brain charts spanning our entire lifespan — from a 15 week old fetus to 100 year old adult — that show how our brains expand rapidly in early life and slowly shrink as we age.

参照元:https://www.cam.ac.uk/stories/BrainCharts
– ケンブリッジ大学 University of Cambridge. 6 April 2022 –

国際研究チームは、生後15週の胎児から100歳の成人までの全生涯を対象とした一連の脳グラフを作成し、脳が初期に急速に拡大し、年齢とともに徐々に縮小していく様子を示しました。

このグラフは、6大陸にまたがる研究プロジェクトの成果であり、100以上の異なる研究による約12万5千の脳スキャンという、おそらく過去最大のMRIデータセットが集約されたものです。

現在、このグラフは臨床で使用することはできませんが、研究チームはこのグラフが、標準化された小児の成長チャートと同様に日常的な臨床ツールとなることを期待しています。

成長表は200年以上にわたって小児医療の基礎となっており、子供の成長と発達を同年代の子供と比較してモニターするために、診療所のいたるところで使用されています。

一般的な成長表は、横軸に年齢、縦軸に身長をとりますが、一本の線ではなく、身長、体重、頭囲の自然なばらつきを反映した幅で表示されます。

人間の脳の加齢変化を測定するための類似の基準表はありません。脳の発達と加齢を標準的に評価するツールがないことは、精神疾患の研究に特に関連しています。

精神疾患では、病態間の違いや病態内の異質性により、臨床基準表のように一人の個人について意味のあることを述べることができる機器が必要となりますし、アルツハイマー病などでは脳組織の変性や認知機能低下が起こります。

Nature誌に掲載された研究は、このギャップを埋めるための大きな一歩となります。

BrainChartは、小児科の成長チャートとは異なり、オープンアクセスサイトのbrainchart.ioで公開されており、胎内での発達から老年期までの全生涯をカバーし、脳の発達と成熟の多様性を記述する共通言語を作成することを目的としています。

驚異の成長・縮小する脳

この脳図表によって、脳の主要な組織が何歳で体積のピークに達するか、脳の特定の領域がいつ成熟するかなど、これまで仮説でしかなかった発達のマイルストーンを確認し、場合によっては初めて示すことができたのです。

この研究の共同研究者の一人であるケンブリッジ大学精神医学部のリチャード・ベスレヘム博士は話します。

ベスレヘム博士:私たちが世界的な努力によって実現したことのひとつは、生涯を通じてのデータをつなぎ合わせることです。そのおかげで、脳で起こっているごく初期の急激な変化と、年齢を重ねるにつれて起こる長い緩やかな減少を測定することができました。

研究チームが観察した重要なマイルストーンには、以下のようなものがあります。

  • 灰白質(脳細胞)の体積は、妊娠中期から急速に増加し、6歳になる直前にピークに達する。その後、徐々に減少し始める。
  • 白質(脳のつながり)の体積も、妊娠中期から幼児期にかけて急速に増加し、29歳を前にしてピークに達する。
  • 50歳を過ぎると白質体積の減少が加速し始めます。
  • 大脳皮質下の灰白質体積(身体機能や基本的な行動を制御する)は、青年期の14歳半でピークに達する。
  • 臨床に役立つツールを目指して

脳図表はすでに研究用として有用であることが分かっているが、研究チームは長期的には臨床用ツールとして活用することを想定しています。

このデータセットには、すでに約165種類の診断名が付いており、研究者はアルツハイマー病などの症状で脳がどのように異なるかを見ることができます。

アルツハイマー病は、神経変性や脳組織の減少を引き起こすため、発症した人は同世代の人と比べて脳の容積が小さくなりやすいと言われています。

健康な大人でも背の高い人と低い人がいるように、脳の大きさにも個人差があり、少し小さいからと言って必ずしも異常があるわけではありません。

しかし、脳のグラフから明らかなように、脳の大きさは年齢とともに自然に小さくなりますが、アルツハイマー病の患者さんでは、その減少が非常に速いのです。

ベスレヘム博士:私たちの脳チャートはまだ非常に初期の段階にあり、膨大なデータセットを集めることでこのようなツールを作ることが可能であることを示しています。将来的には、より多くのデータセットを統合し、チャートを改良することで、最終的に日常的な臨床診療の一部になることを目指しています。
例えば、アルツハイマー病などのスクリーニングを受けた患者の評価に使われることで、医師が、患者の脳容積が他の人と比べてどれだけ急速に変化したかを比較して、神経変性の兆候を発見することができるようになる、というようなことが想像できます。

さらに、研究チームは、脳グラフをより全人口を代表するものにすることを望んでおり、これまであまり紹介されてこなかった社会経済的、民族的グループに関する脳MRIデータをもっと増やす必要性を指摘しています。

膨大な技術的偉業

本研究のもう一人の共同研究者であるフィラデルフィア小児病院・ペンシルバニア大学寿命脳研究所のJakob Seidlitz博士は話します。

Seidlitz博士:これらの脳図表の作成には、複数の技術的な偉業と多くの協力者が関わっています。脳画像データの場合、単にメジャーで身長や頭囲を測るよりも少し複雑なのです。ロジスティックや管理面でのハードル、脳画像データ間の大きな方法論的ばらつきなど、対処すべき大きな課題がありました。

研究チームは、標準化された神経画像ソフトウェアを用いてMRIスキャンからデータを抽出し、灰白質または白質の体積などの単純な特性から始めて、皮質の厚さや脳の特定領域の体積など、より細かい部分まで調べるよう作業を拡大しました。

脳グラフの作成には、世界保健機関(WHO)が実施した成長グラフ作成のためのフレームワークを使用しました。

ペタバイト(1ペタバイト=1,000,000,000バイト)に近いデータを分析し、約200万時間の計算時間を費やしたと推定しています。

Seidlitz博士:これは、ケンブリッジのハイパフォーマンス・コンピューティング・クラスターへのアクセスなしには、本当に実現しなかったでしょう。
しかし、我々はこれをまだ未完成であると考えています。これは、ニューロイメージングの標準的なリファレンスチャートを確立するための最初の通過点なのです。そのためにウェブサイトを立ち上げ、協力者の大規模なネットワークを構築してきたのです。我々は、新しいデータが利用可能になるにつれて、一貫してチャートを更新し、これらのモデルを構築することを期待しています。

研究チームは、他の研究者や臨床医が、自分のデータセットを調整して、BrainChartの母集団と比較できるように、参照フレームワークでツールを作りました。

ベツレヘム博士:NHSでは毎年数百万件の脳スキャンを行っていますが、そのほとんどは放射線科医や神経科医が、彼らの幅広い専門知識に基づいて、これらのスキャンに臨床的に関連するものがあるかどうかを判断しています。今後、臨床医が我々のデータと比較し、客観的かつ定量的な観察を加えて、より包括的なレポートを作成することができるようになればと願っています。

これにより、神経科医は「この部位は非典型的だが、どの程度非典型的なのか」という問いに効果的に答えられるようになるはずである。このツールは標準化されているので、どこで脳ドックを受けても、比較できるはずです。」

ベツレヘム博士とSeidlitz博士とともに、この研究はケンブリッジ大学のサイモン・ホワイト博士とエド・ブルモア教授、ペンシルバニア大学のアーロン・アレクサンダー・ブロック博士が中心となって進められました。

この研究は、過去数十年にわたり、さまざまな年齢層の人々の脳の構造をMRIで測定するという世界的な共同研究の上に成り立っています。

研究チームは、多くの高品質なMRIデータセットへのオープンアクセスがなければ実現しなかったとし、今回の結果が、脳イメージング科学におけるデータおよび解析のオープン化、共有化に貢献することを期待していると述べています。

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