SiNAPSA, petek, 20. oktober 2017

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Izzivi zarisovanja mej na atlasu možganov in rešitve na obzorju

Eva Berlot

Ljudje so že od nekdaj imeli željo po kartiranju – v času pomorskih osvajanj so nastajali vedno novi in natančnejši zemljevidi Zemlje, dandanes znanstveniki izboljšujejo zemljevide neznanih prostorov onstran našega planeta in osončja. Tako kot nam zarisovanje sveta okoli nas pomaga pri razumevanju razdalj in odnosov s preostalimi deli sveta ter vesolja, je tudi kartiranje naših možganov poglavitno pri raziskovanju njihove vloge pri našem vsakodnevnem zaznavanju sveta in udejstvovanju v njem. Ena izmed poglavitnih nalog nevroznanosti je ugotavljanje, kateri deli možganov upravljajo kakšne funkcije, za kar je izrednega pomena natančno lociranje možganskih aktivacij, povezanih z različnimi nalogami.

Eva Berlot

Organization for Human Brain Mapping, ki je eno izmed vplivnejših združenj v nevroznanosti, ima celo v svojem nazivu besedo ‘kartiranje’. Prav ta organizacija je na svojem letošnjem srečanju v Ženevi v eni izmed svojih delavnic izpostavila izzive kartiranja možganov, razmejevanja možganskih področij in povezavo strukture s funkcijo. Tako kot zemljevidi sveta izkrivljajo velikosti in relacije med različnimi celinami, tudi atlasi možganov niso brez napak. Najpogosteje uporabljena atlasa možganov v študijah s človeškimi preiskovanci sta dva – Talairachov atlas1 in atlas MNI (Montreal Neurological Institute)2. Talairachov atlas je osnovan na ročnem prerisovanju možganskih področij, definiranih po shemah anatoma Brodmanna. Le-ta je raziskoval gostoto in strukturo različnih celic (t. i. citoarhitekturo) na eni hemisferi umrle 60-letne Francozinje in na podlagi razlik med različnimi možganskimi predeli zarisal meje na giruse (možganske zavoje) in sulkuse (možganske vdolbine). Možgane preiskovancev, ki jih posnamemo s pomočjo magnetnoresonančnega (MR) slikanja, ‘pretvorimo’ v Talairach-možgane zato, da lahko določimo možganska področja v kateremkoli preiskovancu. Pri tej pretvorbi se domneva, da se razdalje med različnimi deli možganov večajo sorazmerno z velikostjo možganov. Toda več kot očitno je, da možgani ene posameznice niso dober primerek za celotno populacijo. MNI-atlasi so za razliko od Talairachovega zgrajeni na povprečju mnogih možganov (152-tih ali 305-tih), vendar to še ne odpravi vseh pomanjkljivosti. Ista koordinatna točka lahko namreč pri različnih preiskovancih predstavlja različna možganska področja – pri enem preiskovancu bi lahko določena točka sovpadala s precentralnim girusom, ki je povezan z motoriko, medtem ko bi bila pri nekom drugem locirana na postcentralnem girusu, ki predstavlja središče senzorike3.

Mnogokrat pa makroanatomski mejniki na podlagi sulkusov in girusov niso neposredno povezani z možgansko funkcijo. Tako na primer avditorni reženj pri določenih ljudeh sestoji iz enega Heschlovega girusa, pri drugih pa iz dveh. Primarni center slušnega zaznavanja je tako pri določenih ljudeh na girusu, pri drugih pa med obema girusoma4. Velika raznolikost med možgani otežuje določanje povprečja odkritih aktivacij pri posameznikih za celotno populacijo in primerjave različnih študij, kar je seveda ključno pri širjenju razumevanja možganskega delovanja. Na OHBM-ovi delavnici so predavatelji predstavili nove načine, kako omenjene probleme zaobiti. Predlagane možnosti se v grobem lahko razdelijo na dva tipa – na takšne, kjer bi natančnejše lociranje celic in receptorjev v človeških možganih post mortem (t. j. po smrti) pripomoglo k boljšim atlasom, in na druge pristope, kjer bi pri preiskovancu razmejili njegova možganska področja.

Simon Eichkoff je predstavil delo, ki ga s Katrin Amunts, Karlom Zillesom in sodelavci opravljajo v raziskovalnem inštitutu Jülich pri izdelovanju atlasa JuBrain5. Preparate človeških možganov secirajo in natančno analizirajo arhitekturo celic v različnih predelih – različne tipe in njihovo gostoto, tako da na podlagi tega določijo meje med možganskimi predeli. To delo zahteva preciznost in potrpežljivost in je sorodno temu, kar je pred stoletjem počel Brodmann. Za razliko od njega pa svojih mej ne skicirajo v dvodimenzionalnih risbah, temveč jih s pomočjo računalnika rekonstruirajo v tridimenzionalen model možganov, t. i. JuBrain. To delo ponovijo na več možganih (do zdaj na desetih), tako da pridobijo ‘probabilističen’ model, kjer je za vsako točko ponazorjeno, kateri možganski predeli se lahko tam nahajajo in kolikšna je verjetnost, da gre za določeno strukturo. Ta atlas je dostopen tudi v priljubljenem programu za obdelavo MR-podatkov, kar raziskovalcem omogoča, da z večjo natančnostjo in upoštevajoč raznolikost med posamezniki določijo, katera možganska področja sodelujejo pri opravljenih nalogah. Obenem pa raziskovalci v Jülichu poleg citoarhitekture raziskujejo tudi, kako se prisotnost različnih nevrokemičnih receptorjev spreminja med možganskimi predeli in zarisujejo meje med njimi, ki so dostikrat v skladu s tistimi, definiranimi na podlagi celične arhitekture6. Prisotnost receptorjev v tkivih lahko omogoča tudi edinstven pristop k možganskemu kartiranju, saj so receptorji dostikrat bolj neposredno povezani s prenosom informacij kot različne celične skupine.

Medtem ko s pomočjo magnetne resonance celične arhitekture v preiskovancu ni mogoče preučiti, pa se lahko ugotavlja prisotnost mielina (t. j. strukture, ki ovija aksone nevronov). V splošnem je mielin v primarnih predelih prisoten v višjih količinah kot v asociativnih, njegova vsebnost se spreminja tudi med sorodnimi predeli, zato lahko gostota mielina pomaga določiti meje 7. Na ta način lahko pri preiskovancu določimo njegove edinstvene meje ne glede na to, kako podobna je makroanatomija tega preiskovanca različnim atlasom, naj bodo to Talairach, MNI ali JuBrain. Obetavna je tudi možnost razdeljevanja področij na podlagi možganskih povezav, ki jih je pri posamezniku možno rekonstruirati preko difuzijske MR8.

Poleg anatomskih značilnosti lahko za razdeljevanje različnih predelov uporabimo tudi možgansko aktivnost. Deli možganov, ki so odgovorni za določeno funkcijo, recimo, dnevno sanjarjenje (angl. mind wandering), bodo aktivni hkrati, medtem ko slušna področja takrat ne bodo tako aktivna. Preko koaktivnosti različnih možganskih predelov nam lahko uspe smiselno tudi razdeliti predele možganov, ki niso tako jasno funkcionalno razmejeni, kot na primer čelni reženj9. Možnosti za kartiranje možganov preiskovancev je tako več in na vprašanje, katero izmed njih je najbolje uporabiti, ni enostavnega odgovora – to je odvisno od namena raziskave, časa, namenjenega snemanju, dosegljivi resoluciji itd. S kombinacijo različnih načinov lahko dobimo več vpogleda kot z eno samo metodo. Matthew Glasser je s sodelavci kartiral mielin, funkcionalno koaktivnost ob nalogi in brez naloge (‘resting state’) in anatomijo možganskih povezav v več kot 200 preiskovancih10. Vse nastale karte so skupno preučili in določili mejnike možganskih področij ter na tak način določili skupno 180 področij na možgansko hemisfero – kar 97 več od prejšnjih študij post mortem. Nastale karte omogočajo natančno lociranje aktivnosti posameznih preiskovancev in omogočajo primerjanje med preiskovanci, upoštevajoč raznolikost zgradbe in delovanja možganov.

Večina nevroznanstvenih študij še vedno uporablja možganske atlase, kjer je kartiranje možganskih predelov nenatančno, saj ne upošteva arhitekturnih razlik med posamezniki. Novejši pristopi nam omogočajo uporabo preciznejših atlasov, osnovanih na verjetnosti, ali pa celo kartiranje možganov posameznih preiskovancev na podlagi anatomske in funkcionalne raznolikosti področij. Ti inovativni pristopi zarisovanja mej med možganskimi področji bodo v prihodnje omogočili celovitejši pristop k razumevanju delovanja možganov.

    ___
  1. Talairach, K., & Tournoux, P. Co-planar stereotaxic atlas of the human brain. New York: Thieme, 1988. 

  2. Collins, D. L., Holmes, C. J., Peters, T. M., & Evans, A. C. Automatic 3‐D model‐based neuroanatomical segmentation. Human brain mapping. 1995;3:190-208. 

  3. Devlin, J. T., & Poldrack, R. A. In praise of tedious anatomy. Neuroimage.2007;37:1033-1041. 

  4. Moerel, M., De Martino, F., & Formisano, E. An anatomical and functional topography of human auditory cortical areas. Frontiers in neuroscience. 2014;8:225. 

  5. Eickhoff S, Stephan KE, Mohlberg H, Grefkes C, Fink GR, Amunts K, Zilles K. A new SPM toolbox for combining probabilistic cytoarchitectonic maps and functional imaging data. NeuroImage. 2005;25:1325-1335. 

  6. Caspers, J., Palomero-Gallagher, N., Caspers, S., Schleicher, A., Amunts, K., & Zilles, K. Receptor architecture of visual areas in the face and word-form recognition region of the posterior fusiform gyrus. Brain Structure and Function. 2015;220:205-219. 

  7. Glasser, M. F., Goyal, M. S., Preuss, T. M., Raichle, M. E., & Van Essen, D. C. Trends and properties of human cerebral cortex: correlations with cortical myelin content. Neuroimage. 2014;93:165-175. 

  8. de Schotten, M. T., Urbanski, M., Valabregue, R., Bayle, D. J., & Volle, E. Subdivision of the occipital lobes: an anatomical and functional MRI connectivity study. Cortex. 2014;56:121-137. 

  9. Ray, K. L., Zald, D. H., Bludau, S., Riedel, M. C., Bzdok, D., Yanes, J., … & Laird, A. R. Co-activation based parcellation of the human frontal pole. NeuroImage. 2015;123:200-211. 

  10. Glasser, M. F., Coalson, T., Robinson, E., Hacker, C., Harwell, J., Yacoub, E., … & Smith, S. M. A Multi-modal parcellation of human cerebral cortex. Nature. 2015. 

Eva Berlot, univ. dipl. psih., mag. nevroznanosti
Brain and Mind Institute
University of Western Ontario, Kanada

Objavljeno 22. septembra 2016.