Struktura mózgu zmienia się na przestrzeni życia. Te zmiany można uchwycić podczas badań obrazowych. Na podstawie ich wyników można nawet oszacować wiek z dokładnością do pięciu lat, wynika z badania prowadzonego w Naukowym Centrum Badań Obrazowych.
Rozwój ludzkiego mózgu rożni się od rozwoju mózgu wielu innych gatunków. Na przykład mózgi wielu gadów czy ptaków są niemal w pełni rozwinięte już od chwili narodzin. Zwierzęta te są zdolne do samodzielnego poruszania się, poszukiwania pożywienia i unikania drapieżników natychmiast po wykluciu. Natomiast ludzie przychodzą na świat z mózgiem, który rozwija się jeszcze przez wiele lat. Długi okres dzieciństwa pozwala mózgowi dojrzewać i adaptować się do otaczającego środowiska.
Ludzki mozg jest w dużej mierze kształtowany przez dwa czynniki: geny i środowisko. Geny odgrywają kluczową rolę na wczesnych etapach, gdy rozwijają się połączenia między neuronami i tworzy się podstawowa struktura – szarej oraz białej istoty mózgu.
Jednakże z czasem środowisko zaczyna odgrywać coraz większą rolę w procesie rozwoju człowieka. Na początku rozwijają się zmysły, które odpowiadają za odbieranie informacji ze świata zewnętrznego, w kolejnym etapie – dyskryminacja bodźców zmysłowych, motoryka oraz język. W rozwoju tych umiejętności wyróżnia się tzw. okresy krytyczne, po których stopniowo zaczynają się rozwijać wyższe funkcje poznawcze, takie jak myślenie abstrakcyjne. Ostateczny rozwój tych funkcji kończy się około 20. roku życia.
Tuż po narodzeniu nasz mozg cechuje się dużą plastycznością, czyli umiejętnością tworzenia nowych połączeń i szlaków nerwowych w odpowiedzi na rozmaite bodźce i doświadczenia. W tym najwcześniejszym okresie życia komórki nerwowe mają aksony niepokryte jeszcze osłonką mielinową. W zależności od siły, czasu trwania i momentu wystąpienia bodźców środowiskowych mózg może wzmacniać lub osłabiać mielinizację aksonów, co wpływa na funkcje poznawcze, motoryczne i behawioralne. Z wiekiem stopniowo maleje liczba neuronów. Na początku życia mamy ich blisko 100 miliardów, u dorosłych liczba ta zmniejsza się do około 86 miliardów. Między drugim a trzecim rokiem życia zaczyna się tzw. przycinanie synaptyczne, czyli eliminacja nieużywanych połączeń nerwowych, co przyspiesza optymalizację funkcji mózgu. Proces ten trwa w rożnych częściach mózgu aż do około 20. roku życia, a pełne dojrzewanie strukturalne mózgu następuje nawet do ok. 40. roku życia.
Analizując mózg na obrazach rezonansu magnetycznego (MR), można zauważyć, że mózg noworodka jest stosunkowo mały i głównie składa się z istoty szarej. W pierwszych miesiącach życia przyrost istoty białej jest znaczący, co na obrazach MR jest widoczne jako białe obszary w centralnej części mózgu. Z kolei kora mózgowa, składająca się z neuronów, gruba u niemowląt, z czasem ulega zmniejszeniu.
W ciągu życia mozg przechodzi przez rożne etapy rozwoju, a w późniejszym wieku zaczyna się proces jego stopniowego kurczenia. Po 70.–80. roku życia obserwuje się zmniejszenie objętości zarówno istoty szarej, jak i białej oraz wzrost przestrzeni wypełnionych płynem mózgowo-rdzeniowym. Ten proces widać na obrazach MR – w porównaniu z obrazem mózgu dziecka w mózgu dziewięcio-, dziesięciolatka można dostrzec powiększone komory płynowe oraz zmniejszenie objętości istoty szarej i białej. Widoczne różnice sugerują, że na podstawie obrazu mózgu możliwe jest przewidywanie zmian zachodzących z wiekiem, a nawet oszacowanie wieku danej osoby.
Nasz zespół w składzie mgr inż. Bartosz Kochański, Maria Waligorska, studentka ostatnich lat neuroinformatyki na UW, oraz prof. IFPS Tomasz Wolak, realizuje projekt, podczas którego na podstawie obrazów MR segmentuje obraz mózgu. Proces ten pozwala na mierzenie parametrów, takich jak objętość, grubość i inne cechy morfologiczne mózgu. Parametry te, analizowane za pomocą sztucznej inteligencji, pozwalają z kolei na prognozowanie wieku, a docelowo na wykrywanie nieprawidłowości, takich jak guzy, zmiany naczyniowe czy malformacje, co pomaga szybciej skierować takie badanie do analizy przez specjalistę radiologa.
W ramach badań zastosowano cztery algorytmy uczenia maszynowego, które – jak wynika z analizy – w rożnym stopniu były w stanie przewidzieć wiek osoby na podstawie obrazu mózgu. Najlepiej poradził sobie z tym zadaniem algorytm SVM, osiągając dokładność szacowania wieku z marginesem błędu wynoszącym około pięciu lat. Na podstawie analizy obrazów RM nie jesteśmy w stanie ocenić wieku danej osoby z jeszcze większa dokładnością, bo wiek biologiczny mózgu może być nieco inny od wieku rzeczywistego. Stan mózgu jest bowiem pochodną trybu życia – jeśli stosujemy odpowiednią dietę, uprawiamy sporty, to nasz organizm, w tym także mózg, może być nieco młodszy, niż to wynika z metryki urodzenia.
Jak jeszcze można zwolnić proces starzenia się mózgu? Okazuje się, że jednym z najskuteczniejszych sposobów utrzymywania jego sprawności jest unikanie izolacji społecznej. Kontakty międzyludzkie niewątpliwie istotnie przyczyniają się do tego, że mozg starzeje się wolniej. Utrzymywanie relacji z innymi jest szczególnie ważne w przypadku osób powyżej 60.-70. roku życia. Kolejne ważne czynniki spowalniające procesy starzenia mózgu to m.in.: leczenie niedosłuchu w średnim wieku (nie słysząc, tracimy zdolność rozumienia drugiej osoby, co sprawia, że mozg nie jest odpowiednio bodźcowany i przez to zaczyna zmieniać swoją strukturę), uczenie się nowych rzeczy, dbanie o jakość snu, a także dbanie o zdrowie fizyczne i psychiczne – unikanie wysokiego ciśnienia krwi, zapobieganie rozwoju cukrzycy typu drugiego, wczesne podjęcie leczenia depresji, rzucenie palenia, unikanie otyłości. To znane czynniki, od których zależy stan zdrowia i długość życia. Według prognoz w niedługim czasie połowa ludności w Europie będzie dożywała około dziewięćdziesiątki. W tym kontekście niezwykle ważne jest, aby osoby po przekroczeniu 60. roku życia znały powyższe zależności i zasady prewencji, bo dzięki nim będą mogły zachować sprawność zarówno fizyczną, jak i intelektualną do późnych lat.
Podsumowując, należy podkreślić, że człowiek jest niepowtarzalny, ponieważ jego mózg kształtują zarówno geny, jak i środowisko. Mózg zmienia się przez całe nasze życie. Można powiedzieć, że codziennie budzimy się z nieco zmienionym mózgiem – jako nieco inna osoba. Dzięki badaniom MR i zaawansowanej analizie obrazów możemy te zmiany obserwować, określając wiek biologiczny tego najważniejszego narządu z dość dużą już precyzją. Opisywane badania pozwalają lepiej zrozumieć procesy związane ze starzeniem, a także – czy może przede wszystkim – w jak dużym stopniu sprawność i zdrowie mózgu zależą od nas samych.
Tekst: dr hab. inż. Tomasz Wolak, prof. IFPS
Link do nagrania: