Journal Club (June 13, 2022)

Nature Article Open Access Published: 06 April 2022
Brain charts for the human lifespan (ヒトの一生に渡る脳の変化の軌跡)
R. A. I. Bethlehem, J. Seidlitz, S. R. White et al.

  • These authors contributed equally: R. A. I. Bethlehem, J. Seidlitz, S. R. White
  • Department of Psychiatry, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA (ペンシルバニア大学精神医学部)
  • Department of Child and Adolescent Psychiatry and Behavioral Science, The Children’s Hospital of Philadelphia, Philadelphia, PA, USA
  • Lifespan Brain Institute, The Children’s Hospital of Philadelphia and Penn Medicine, Philadelphia, PA, USA

Abstract

過去数十年にわたって、Neuroimagingは​​、人間の脳の基礎研究および臨床研究において普遍的なツールになった。ただし、身長や体重などの人体測定特性の成長チャートとは対照的に、現在、神経画像測定基準の個人差を経時的に定量化するための参照標準は存在しない。本研究では、MRIデータの現在または将来のサンプルから導出された脳の形態をベンチマークするためのインタラクティブなオープンリソースを構築した(http://www.brainchart.io/)。このリファレンスチャートは、世界人口の多様性に比べてMRI研究のバイアスが大きいため、その限界を考慮した上で、最大かつ最も包括的なデータセットに基づくことを目的として、妊娠後115日から100歳までの101,457人のヒト被験者の123,984のMRIスキャンを100以上の主要研究を通して集約した。MRI指標は、生涯にわたる脳の構造変化の非線形軌道と変化率に関連するパーセンタイルスコアによって定量化された。脳チャート(Brain chart)は、以前に報告されていない神経発達のマイルストーンを特定し、縦断的評価全体で個人の高い安定性を示し、一次研究間の技術的および方法論的な違いに対する頑健性を示しました。パーセンタイルスコアは、非パーセンタイルMRI表現型と比較して遺伝率の増加を示し、神経学的および精神障害全体の神経解剖学的変化のパターンを明らかにする非定型脳構造の標準化された尺度を提供しました。要約すると、脳チャートは、複数の一般的に使用される神経画像表現型の規範的な軌道にベンチマークされた個々の変動の堅牢な定量化に向けた重要なステップである。

a, MRI data were aggregated from over 100 primary studies comprising 123,984 scans that collectively spanned the age range from mid-gestation to 100 postnatal years. Box–violin plots show the age distribution for each study coloured by its relative sample size (log-scaled using the natural logarithm for visualization purposes). b, Non-centiled, ‘raw’ bilateral cerebrum tissue volumes for grey matter, white matter, subcortical grey matter and ventricles are plotted for each cross-sectional control scan as a function of age (log-scaled); points are coloured by sex. c, Normative brain-volume trajectories were estimated using GAMLSS, accounting for site- and study-specific batch effects, and stratified by sex (female, red; male, blue). All four cerebrum tissue volumes demonstrated distinct, non-linear trajectories of their medians (with 2.5% and 97.5% centiles denoted as dotted lines) as a function of age over the lifespan. Demographics for each cross-sectional sample of healthy controls included in the reference dataset for normative GAMLSS modelling of each MRI phenotype are detailed in Supplementary Table 1.21.8d, Trajectories of median between-subject variability and 95% confidence intervals for four cerebrum tissue volumes were estimated by sex-stratified bootstrapping (see Supplementary Information 3 for details). e, Rates of volumetric change across the lifespan for each tissue volume, stratified by sex, were estimated by the first derivatives of the median volumetric trajectories. For solid (parenchymal) tissue volumes, the horizontal line (y = 0) indicates when the volume at which each tissue stops growing and starts shrinking and the solid vertical line indicates the age of maximum growth of each tissue. See Supplementary Table 2.1 for all neurodevelopmental milestones and their confidence intervals. Note that y axes in be are scaled in units of 10,000 mm3 (10 ml).
Top, a graphical summary of the normative trajectories of the median (50th centile) for each global MRI phenotype, and key developmental milestones, as a function of age (log-scaled). Circles depict the peak rate of growth milestones for each phenotype (defined by the maxima of the first derivatives of the median trajectories (Fig. 1e)). Triangles depict the peak volume of each phenotype (defined by the maxima of the median trajectories); the definition of GMV:WMV differentiation is detailed in Supplementary Information 9.1. Bottom, a graphical summary of additional MRI and non-MRI developmental stages and milestones. From top to bottom: blue shaded boxes denote the age range of incidence for each of the major clinical disorders represented in the MRI dataset; black boxes denote the age at which these conditions are generally diagnosed as derived from literature73 (Methods); brown lines represent the normative intervals for developmental milestones derived from non-MRI data, based on previous literature and averaged across males and females (Methods); grey bars depict age ranges for existing (World Health Organization (WHO) and Centers for Disease Control and Prevention (CDC)) growth charts of anthropometric and ultrasonographic variables24. Across both panels, light grey vertical lines delimit lifespan epochs (labelled above the top panel) previously defined by neurobiological criteria63. Tanner refers to the Tanner scale of physical development. AD, Alzheimer’s disease; ADHD, attention deficit hyperactivity disorder; ASD, autism spectrum disorder (including high-risk individuals with confirmed diagnosis at a later age); ANX, anxiety or phobic disorders; BD, bipolar disorder; MDD, major depressive disorder; RMR, resting metabolic rate; SCZ, schizophrenia.

人の一生で脳の大きさがどう変化するかが明らかに | Nature ダイジェスト | Nature Portfolio:

最終結果として、いくつかの主要な脳の指標に関して年齢による変化をプロットした「成長曲線」のセットが得られた。灰白質の体積や平均皮質厚(灰白質の幅)などのいくつかの指標は、個人の発達の初期にピークに達するが、脳の深部にある白質の体積は30歳頃までにピークに達する傾向がある(「脳の変化」参照)。特に、脳室の体積(脳内の脳脊髄液の量)に関するデータは、Bethlehemを驚かせた。この量は通常脳萎縮に関連しているため、年齢とともに増加することは知られていたが、成人後期に急速に増加する傾向があることにBethlehemはショックを受けた。(Nature Digestより抜粋)

脳の変化
研究者たちは、12万以上の脳スキャン画像を分析して、これまでで最も包括的な脳の成長曲線を作り上げた。白質と灰白質の体積と平均皮質厚(灰白質の幅)は発達の初期に急速に増加するが、脳室の体積(脳内の脳脊髄液の量)は人生の後半に急速に増加する。 | 拡大するR. A. I. BETHLEHEM ET AL. NATURE HTTPS://DOI.ORG/HPKN (2022)

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