Ötperces vizsgálat ad pontos képet az agyfejlődésről

Egy speciális számítógépes program segítségével olyan ötperces vizsgálatot dolgoztak ki amerikai kutatók, amely képes gyorsan elemezni az egyes agyterületek közti funkcionális összeköttetéseket, és így megállapítani az agy fejlettségi állapotát. A következő években mindez lehetővé teheti, hogy már a látható tünetek megjelenése előtt meg tudja mondani az orvos, ha egy gyermeknél az idegrendszer fejlődésével összefüggő probléma megjelenése várható.

Hogyan változik az emberi agy a csecsemőkortól a mozgalmas serdülőkori éveken át a felnőttkorig? Az agyi képalkotó eljárások rengeteget fejlődtek az elmúlt néhány évben, így ma már erről is sokat tudunk, de korántsem mindent. Annyi biztos, hogy a különféle agyi funkciók - a gondolkodás, a döntéshozatal, az ítéletalkotás vagy az érzelmek működése - sosem köthetők egyetlen, jól körülhatárolt agyi központhoz. Minden esetben több agyterület működik együtt, így a fő cél az, hogy ezeket a kölcsönhatásokat sikerüljön minél alaposabban megérteni.

Éppen ez az a terület, ahol ma még hiányosságok mutatkoznak: bár a különféle képalkotó módszerekkel mára minden eddiginél mélyebben beleláthatunk az agyba, többnyire gondot jelent a hatalmas adathalmazok precíz és megfelelő elemzése. Az agyfejlődés is azon területek közé tartozik, amelyeket a jövőben a korábbiaknál sokkal intenzívebben kutatnak majd, és éppen ebben ért el jelentős előrelépést a Washington Egyetem orvostudományi karának kutatócsoportja. Az agyi képalkotáshoz ezúttal egy olyan számítógépes programot társítottak, amely nemcsak az agy szerkezeti elemeit, hanem az egyes agyterületek közti funkcionális összeköttetéseket is gyorsan képes elemezni.

A közgazdaságtanban is alkalmazott matematikai módszer segít az agykutatóknak

A Science legújabb számában megjelent tanulmányban Nico Dosenbach és munkatársai egy mindössze öt percig tartó vizsgálatról számolnak be, amely az eredmények számítógépes elemzését követően elárulja, hogy milyen fejlődési állapotban van a vizsgált agy. A kutatók összesen 238, hét és harminc év közötti önkéntes agyáról készítettek felvételeket, méghozzá az úgynevezett funkcionális kapcsolat MRI eljárással (functional connectivity magnetic resonance imaging; fcMRI).

Ez annyiban különbözik a hagyományos mágneses magrezonanciás képalkotástól (ezt nevezik MRI-nek, és ennek egy fajtája a funkcionális MRI vagy röviden fMRI) hogy az agy funkcionális működésének elemzése során az idegsejtek közötti kapcsolatok elemzésére helyezik a hangsúlyt. (Az fMRI már eleve fejlettebb a sima MRI-nél annyiban, hogy nem pusztán az agy szerkezetéről, hanem az egyes agyterületek különféle folyamatokban betöltött szerepéről ad információkat, az fcMRI azonban még tovább finomítja az elemzés lehetőségeit.)

A képen azok az agyterületek láthatók, amelyek az agy funkcionális érettségének becslésében fontosak. Az agyterületek mérete a fontossággal együtt nő. Az eltérő színek az eltérő funkcióval bíró idegsejt-hálózatokat jelölik - az agy érése során gyengülő kapcsolatokat zölddel, az erősödő kapcsolatokat pedig pirossal jelölték.

Az fcMRI-vel összevethető egymással az egyes agyterületek eltérő mértékű véráramlása, majd megállapítható, hogy a különféle idegi hálózatokban mely régiók idegsejtjei működnek együtt. Az agyról készített felvételeket a kutatók egy bonyolult mintázatelemző szoftverrel vizsgálták - erre a célra egy olyan számítógépes programot használtak, amellyel a korábban elemezhetetlen, nagyobb adattömegek részletes analízise is lehetséges. Az adatok matematikai elemzésének ezen fajtáját egyébként nemcsak az agykutatásban, hanem például a közgazdaságtanban is használják.

Az eredmények azt mutatták, hogy az egymástól távolabb lévő idegsejtek közötti kapcsolatok idővel megerősödtek, azok viszont, amelyek egymáshoz közeli neuronokat kapcsoltak össze, meggyengültek.

Mennyire érett egy gyermek agya?

"A rövid távolságú kapcsolatok gyengülése bármely más mutatónál jobban jelzi az agyfejlődés előrehaladtát. Az érett agy ritkásabb, ám élesebb kapcsolatokkal jellemezhető" - írják a szerzők. A gyors, akár öt perc alatt is elvégezhető fcMRI vizsgálat a jövő orvosi gyakorlatának bevett módszerévé válhat, amellyel a különböző agyi megbetegedéseknek a mainál sokkal pontosabb diagnózisa lenne elérhető.

Az eljárással egyrészt felderíthető, hogy mennyire érett egy gyermek agya, másrészt észrevehetők az esetlegesen jelen lévő pszichiátriai vagy fejlődési rendellenességek is. Ez az utóbbi tényező az, ami miatt a módszer igazán jelentős lehet majd a klinikai gyakorlatban: nem kellene megvárni, amíg egy gyermeknél megjelennek a már látható tünetek, hanem a korai diagnózisnak köszönhetően már az előtt meg lehetne kezdeni a szükséges kezelést, hogy súlyosbodna a probléma. Széles körben - a módszer magas költségei miatt - egyelőre sehol sem várható a teszt rutinszerű alkalmazása. Azon gyermekeknél viszont, akiknél a már diagnosztizált agyi rendellenességeknél amúgy is rendszeresen végeznek MRI vizsgálatokat, érdemes lenne az ötperces tesztet is többször elvégezni - ez önmagában már nem növelné jelentősen a költségeket.

Az ábrán az agy funkcionális érésének görbéje látható, amelyet a 7 és 30 év közötti vizsgálati alanyok fcMRI-vel mért értékei alapján rajzoltak meg. A görbe megalkotásához a különféle agyterületek idegsejtjei közti funkcionális kölcsönhatások értékeit használták fel. Piros színnel a nők, kékkel pedig a férfiak értékei láthatók; az ábra x tengelyén a személyek életkora, az y tengelyen pedig az agy érettségi indexe szerepel. A görbe gyorsabb érési folyamatokat mutat a gyermek- és serdülőkorban, mint a felnőtteknél. A kutatók feltételezik, hogy az agyfejlődési rendellenességgel bíró személyek görbéje eltér majd a normális agyfejlődési görbétől, amit az agyi betegségek korai diagnózisára lehetne felhasználni a jövőben

Jelentős még a módszer azért is, mert képes pótolni a jelenlegi MRI vizsgálatok főbb hiányosságait. Schlaggar az egyetem sajtóközleményében olyan esetekről számol be, amikor különféle pszichiátriai kórképekben szenvedő betegeket küldött hagyományos MRI vizsgálatra. Az agyról készített felvételeken azonban semmi rendelleneset találtak ezekben az esetekben, ami jól jelzi a mostani módszerek elégtelenségeit. "Ez a probléma különösen olyankor jön elő, ha kizárólag az egyes agyterületek alakját és szerkezeti felépítését tanulmányozzuk. Az MRI továbbfejlesztett változatával azonban az egyes agyi régiók együttes működése is megfigyelhető, ami várhatóan teljesen újfajta diagnosztikai módszerekhez vezet majd" - mondta Schlaggar.

Kifinomult matematikai módszerrel elemzik a rengeteg adatot

A Washington Egyetem 2009-ben publikált eredményei már korábban megmutatták, hogy az agy érésével párhuzamosan jelentősen átalakulnak a különféle idegi hálózatok. A kisgyermekek agyában olyan agyi áramkörök jellemzőek, amelyekben a hálózatok idegsejtjei főleg az egymáshoz fizikailag közelebb eső agyterületekben találhatók. A felnőtt agyban azonban fokozatosan azok a kapcsolatok válnak meghatározóvá, amelyek az egymástól távolabbi agyi régiókat kötik össze egymással.

Az új tanulmány eredményei annyiban jelentenek újdonságot az eddigiekhez képest, hogy az iménti, különböző életkorú agyakra jellemző különbségeket ezúttal alapos matematikai elemzésnek vetették alá. Ehhez egy úgynevezett szupport vektor gépet vettek igénybe (support vector machine; SVM), amelyet a matematikusok azért fejlesztettek ki, hogy nagyon nagy mennyiségű adatból a megfelelő érzékenységgel és pontossággal lehessen előre jelezni bizonyos összefüggéseket (a szupport vektor gépekről például itt olvasható bővebb angol nyelvű leírás). Az eljárás azért előnyös, mert ahelyett, hogy külön-külön mérnének egy-egy változót - amelyek önmagukban nem sokat mondanának - "összerakhatók" az adatok: a megfelelő matematikával átfésülhetők és újrarendezhetők a hatalmas méretű adatsorok, amiből már az agyfejlődés menete is kirajzolódik.

A szupport vektor géppel összesen körülbelül 13 000 funkcionális agyi kapcsolatot elemeztek, majd a legjobb kétszázat kiválasztva egyetlen indexbe sűrítették az alany agyának érettségét. Ebből az adatból meg lehetett mondani, hogy a vizsgálati alany felnőtt volt-e, vagy gyerek, valamint nagy vonalakban egy olyan görbe is felrajzolhatóvá vált, amely a normális agyfejlődésre jellemző. A még nem diagnosztizált idegrendszeri kórképekkel bíró gyermekek adatai vélhetően eltérnek majd ettől a görbétől, így előre megjósolhatók lesznek a látható formában csak később kialakuló agyi rendellenességek.

Az MRI drága, de a már beteg gyermekeknél költséghatékonyan is alkalmazható

"A jövőben feltehetjük majd a kérdést, hogy vajon egy autista gyermek agyfejlődési görbéje másképp tér-e el a normálistól, mint - mondjuk - egy figyelemhiányos zavarban szenvedő társáé" - mondta Schlaggar. Az eljárásban már most is egy igen fejlett diagnosztikai eljárás lehetősége rejlik - ha például az autizmust nézzük, a korai felismerés a kezelés lehető legkorábbi megkezdését tenné lehetővé, ami korántsem mindegy a kórképben szenvedő gyermekek későbbi életminősége szempontjából. Minél előbb kezdik el ugyanis a fejlesztést, annál nagyobb rá az esély, hogy a gyermek képességei a leginkább kibontakozzanak - a korai diagnózis és kezelés egyébként csaknem az összes betegségnél alapvető fontossággal bír.

Schlaggar szerint a módszert olyan gyermekeken is érdemes lenne kipróbálni, akik még nem szenvednek semmilyen agyi fejlődési rendellenességben, ám egyértelműen a veszélyeztetett csoportokba tartoznak. "Ha valakinél később kifejlődne egy adott betegség, akkor vissza lehetne térni a korábban készített felvételekhez, és olyan elemzést készíteni belőlük, amely segít minket a hajlamosító tényezők minél precízebb azonosításában. Ez rendkívül hasznos lenne mind a klinikai gyakorlat, mind pedig az idegrendszeri betegségek okainak megértése szempontjából" - mondta a szakember.

Forrás: Science/AAAS