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Jun 23, 2023

Erste umfassende Karten der Gehirne von Säuglingen rev

Forscher haben aus Tausenden von MRT-Scans die ersten umfassenden feinkörnigen Funktionskarten der Gehirnentwicklung von Säuglingen erstellt und damit ein neues Werkzeug für die Untersuchung der Neuroanatomie bereitgestellt

Forscher haben aus Tausenden von MRT-Scans die ersten umfassenden feinkörnigen Funktionskarten der Gehirnentwicklung von Säuglingen erstellt und damit ein neues Werkzeug zur Untersuchung der Neuroanatomie und neurologischen Entwicklungsstörungen bereitgestellt.

eLife

Wissenschaftler haben einen umfassenden Satz funktionaler Karten der Gehirnnetzwerke von Säuglingen erstellt und beispiellose Details zur Gehirnentwicklung von der Geburt bis zum Alter von zwei Jahren geliefert.

Die heute in eLife veröffentlichten Parzellierungskarten der Hirnrinde von Säuglingen haben bereits neue Erkenntnisse darüber geliefert, wann sich verschiedene Gehirnfunktionen im Säuglingsalter entwickeln, und liefern wertvolle, öffentlich zugängliche Referenzen für Studien zur frühen Gehirnentwicklung.

Die kortikale Parzellierung ist ein Mittel zur Untersuchung der Gehirnfunktion, indem die kortikale graue Substanz an verschiedenen Stellen in „Pakete“ aufgeteilt wird. Scans aus der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) werden zusammen mit Messungen der Gehirnkonnektivität durchgeführt, wenn sich das Gehirn in einem inaktiven „Ruhezustand“ befindet, um die Gehirnfunktion innerhalb jedes Pakets zu untersuchen.

Frühere Studien haben Parzellierungskarten basierend auf der fMRT-Konnektivität im Ruhezustand in erwachsenen Gehirnen erstellt. Allerdings sind diese Karten für die Untersuchung des Gehirns von Säuglingen ungeeignet, da es erhebliche Unterschiede in der funktionellen Organisation des Gehirns zwischen Säuglingen und Erwachsenen gibt.

„Die Erstellung kindspezifischer Gehirnparzellierungskarten war eine Herausforderung, da es schwierig war, hochauflösende Bilder des Gehirns von Säuglingen zu erfassen und diese Bilder zu verarbeiten, die in dieser Entwicklungsphase typischerweise einen geringen und sich schnell ändernden Kontrast zwischen verschiedenen Gehirngeweben aufweisen“, erklärt zunächst Autor Fan Wang, jetzt außerordentlicher Professor an der Xi'an Jiaotong Universität, China. „Wir haben eine neuartige Methode entwickelt, die feinkörnige Funktionsmuster einzelner Säuglinge erfasst, um einen umfassenden Satz altersspezifischer und altersunabhängiger Parzellierungskarten zu erstellen, die die pädiatrische Neuroimaging-Forschung erleichtern werden.“

Wang und Kollegen verwendeten 1.064 hochauflösende funktionelle MRT-Scans und 394 strukturelle MRT-Scans von Säuglingen von der Geburt bis zum Alter von zwei Jahren, die im Rahmen des UNC/UMN Baby Connectome Project Consortium gesammelt wurden.

Um detaillierte Muster scharfer Übergänge zwischen Gehirnbereichen zu erfassen, kombinierte das Team eine herkömmliche Methode zur Kartierung der kortikalen Falten (Gehirnregionen) aller Individuen mit einem neuartigen Algorithmus, der Gradienten der funktionellen Konnektivität für jede Region auf das Gehirn überlagert Scans von jedem Säugling. Dies ermöglichte es ihnen, genauere und aussagekräftigere Verbindungen zwischen entsprechenden Funktionsbereichen einzelner Personen herzustellen, was zu einer detaillierten Charakterisierung der Funktionsgrenzen des Gehirns führte. Dies wurde dann verwendet, um kleinkindspezifische, feinkörnige funktionelle Parzellierungskarten für Kleinkinder im Alter von drei Monaten bis zwei Jahren sowie altersunabhängige Karten zu erstellen.

Die altersunabhängige Parzellierung von Säuglingen war einigen zuvor definierten Gehirnbereichen in Parzellierungskarten für Erwachsene sehr ähnlich, wobei die Parzellengrenzen denen im Gehirn von Erwachsenen entsprachen. Doch die Säuglingskarten brachten neue Erkenntnisse über die Entwicklung der Gehirnfunktion.

Erstens deuten die Ergebnisse darauf hin, dass im Alter von drei Monaten eine primitive Form der funktionellen Netzwerke des Gehirns vorhanden ist, wenn das sensorische System weiter entwickelt ist als Systeme höherer Ordnung wie Kognition und Verhalten. Das Team identifizierte außerdem einen bisher nicht berichteten Trend komplexer Schwankungen in der funktionellen Aktivität und Netzwerkorganisation über verschiedene Altersstufen hinweg, während sich die Gehirnfunktion entwickelt, die sich stark von den Mustern unterscheiden, die in der frühen Entwicklung der Gehirnstruktur beobachtet werden. Diese Schwankungen könnten unterschiedliche Meilensteine ​​des Verhaltens und der kognitiven Fähigkeiten widerspiegeln, die in verschiedenen Altersstufen im Säuglingsalter auftreten. Schließlich kam es mit zunehmendem Alter zu einer Steigerung der lokalen Effizienz – der Verbindung von Parzellen mit benachbarten Parzellen –, was die zunehmende Funktionsreife widerspiegelt.

„Unsere Methode erfasste nicht nur wichtige grobe Muster, die mit früheren Methoden entdeckt wurden, sondern zeigte auch viel detailliertere Funktionsgrenzen mit beispielloser Auflösung auf“, sagt der leitende Autor Gang Li, außerordentlicher Professor für Radiologie an der University of North Carolina in Chapel Hill, USA. „Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die funktionelle Konnektivität bei Säuglingen möglicherweise nicht so stark ist wie bei Erwachsenen, die grundlegenden Organisationseinheiten jedoch wahrscheinlich im Gehirn von Säuglingen vorhanden sind, sodass die funktionellen Paketeinheiten bei Säuglingen in ihrer Größe mit denen bei Erwachsenen vergleichbar sein könnten.“ Diese kortikalen Parzellierungskarten für Säuglinge sind eine leistungsstarke Plattform für die Analyse immer größerer Gruppen von Säuglingen und höher aufgelöster pädiatrischer Neuroimaging-Daten und bieten eine höhere Genauigkeit für zukünftige Studien zur neurologischen Entwicklung.“

„Es ist erwähnenswert, dass unsere Methode die Mittelung über Einzelpersonen hinweg beinhaltet. Dies führt unweigerlich zu einigen Registrierungsfehlern bei der Parzellierung, insbesondere in Regionen mit großen topografischen Unterschieden zwischen den Themen. Dies ist ein wichtiges Problem, das bei den meisten Methoden zur Parzellierung auf Bevölkerungsebene besteht – die letztendliche Lösung könnte eine individualisierte Parzellierung sein, und wir planen, in naher Zukunft daran zu arbeiten.“ fügt Li hinzu.

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10.7554/eLife.75401

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