Площадь поверхности коры головного мозга человека увеличивается очень динамично и неоднородно, начиная с третьего триместра беременности и до 2-летнего возраста ребенка.
Однако до настоящего времени было мало что известно о закономерностях развития на этом этапе из-за отсутствия высококачественных данных визуализации и точных вычислительных инструментов для обработки томограмм головного мозга у детей. Чтобы восполнить этот пробел в знаниях, ученые Медицинского факультета Университета Северной Каролины, используя 1037 высококачественных МРТ-сканов детей в возрасте от 29 недель внутриутробного развития и до 24 месяцев после рождения, создали карту развития головного мозга точно в соответствии с моделями развития поверхности коры. Результаты нового картирования развития коры головного мозга, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, можно считать важной отправной точкой для изучения и понимания динамического раннего развития мозга как в норме, так и при патологиях.
Кора головного мозга — это имеющий сложное строение верхний слой полушарий головного мозга, на который приходится до 40% от общей массы мозга и который содержит примерно 15 миллиардов нейронов. Это наиболее эволюционно продвинутая область мозга, она пропорционально больше у людей, чем у других млекопитающих, и отвечает за высшие, характерные для человека функции, включая языковые способности и абстрактное мышление.
Развитие человеческого мозга представляет собой сложный и длительный процесс, который начинается с зачатия и активно продолжается до конца подросткового возраста. В частности, в течение третьего триместра беременности и на ранних постнатальных стадиях человеческий мозг претерпевает исключительно интенсивное развитие коркового объема и корковой складчатости, которые связаны с увеличением как площади поверхности, так и толщины коры. На самом деле по сравнению с увеличением толщины коры площадь ее поверхности расширяется гораздо более динамично и в значительной степени определяет рост головного мозга в перинатальном и раннем постнатальном периодах. Раннее динамическое развитие площади поверхности коры имеет решающее значение для развития когнитивных способностей и поведения, которые могут сохраняться на протяжении всей жизни.
По сравнению с толщиной коры площадь ее поверхности имеет свои отличные генетические и клеточные механизмы и модели роста. Исходя из этого, исследователи предположили, что площадь поверхности коры будет формировать свою собственную отчетливую региональную область развития. Кроме того, аномальное раннее развитие поверхности коры тесно связано с нарушениями развития нервной системы и нервно-психическими расстройствами, например, с расстройствами аутистического спектра и шизофренией.
В своем исследовании ученые объединили два общепризнанных и дополняющих друг друга крупномасштабных набора данных (Developing Human Connectome Project и UNC/UMN Baby Connectome Project) нейровизуализаций, содержащих в общей сложности 1037 МРТ высокого разрешения от 735 детей, начиная от 29й недели беременности и до возраста 2 лет. Команда проанализировала снимки, используя современные компьютерные методы обработки изображений. Они разделили поверхность коры на виртуальную сетку, содержащую тысячи крошечных областей, и вычислили скорость расширения поверхности для каждой из них.
В конечном счете ученые смогли выделить 18 областей, которые билатерально симметричны и в значительной степени соответствуют структурно и функционально значимым областям, согласно существующим знаниям в области нейробиологии. Затем они применили метод GAMM для моделирования картины развития площади поверхности в каждой области.
Им удалось показать, что общие траектории развития как левого, так и правого полушарий в одной и той же области во многом схожи. Все регионы демонстрируют резкое увеличение площади поверхности с возрастом, при этом каждый регион демонстрирует свою четкую траекторию развития. Причем скорость роста площади поверхности на ранних сроках значительно выше, чем на более поздних.
Значимые гендерные различия появляются только в нескольких областях обоих полушарий, но у мужчин площадь поверхности в среднем чуть больше, чем у женщин. В частности, для левого полушария в каудальной средней лобной, медиальной префронтальной и нижней височной извилинах значительные гендерные различия присутствуют между 3.8 и 6.5 месяцами постнатального развития, а также в перешейке поясной извилины, начиная с 20.9 месяцев постнатального периода.
Что касается правого полушария, значительные гендерные различия существуют в задней поясной извилине, перешейке поясной извилины и дорсальной верхней лобной извилины, начиная с возраста в 6.5, 9.3 и 5.7 месяцев после рождения соответственно. Хотя площадь поверхности каждой области демонстрирует динамическое увеличение с возрастом на перинатальной и ранней постнатальной стадиях, темпы развития резко различаются по областям.
Ученые считают, что новое картирование головного мозга дает фундаментальную информацию для понимания как нормального, так и аномального раннего развития мозга. В будущем они планируют расширить возрастной диапазон исследований, например, включив более ранние пренатальные стадии в выборку. Они также надеются в конечном итоге изучить наборы данных сканирования, охватывающие детей с аутистическим спектром или другими нарушениями развития нервной системы. Такой анализ может предоставить не только ключ к разгадке происхождения этих состояний, но и способствовать выявлению ранних признаков или биомаркеров, которые в будущем можно будет использовать для раннего и более эффективного лечения.
Текст: Виктория Киричок