Mozek před narozením: pomocí fMRI prozkoumat tajemství plodu Neurodevelopment / Environmental Health Perspectives / Vol. 126, Č. 11,

Od autismu, schizofrenie, mnoha poruch mozku již dlouho, že vznikají problémy s připojením mezi nervových buněk v mozku.1 Miliardy vláknitým vlákna křižují mozku, které tvoří labyrint sítí, které přenos zpráv mezi různými oblastmi mozku.2 vědci nazývají tuto signalizační špagety „connectome“, 1 a tvoří plán bilionů nervových spojení v mozku.,

někteří vědci předpokládají, že tato spojení kódují základní aspekty osobnosti, chování, poznání a paměti. Jako neurovědec Sebastian Seung s podtitulem jeho 2012 kniha Connectome, naše neurální elektroinstalace z nás dělá, kdo jsme.3

V posledním desetiletí, pokroky v neuroimaging techniky tzv. funkční magnetické rezonance (fMRI) nabídli vědci bezprecedentní pohled na to, jak tyhle propojení se formují před a krátce po narození. S těmito pokroky také začali odemykat některé podpisy abnormálního vývoje mozku.,

fMRI není dokonalý. Obrazy generované technologií musí být často manipulovány, aby se opravily zkreslení a škálování skenování mozku na konzistentní srovnatelnou šablonu. Pohyb způsobuje problémy s analýzou a interpretací dat—a děti a plody jsou notoricky kroutit, pokud spí nebo sedativa. Nakonec technické problémy potenciálně vedou k artefaktům, které nemusí být rozpoznány jako chyby.4

fMRI však také poskytla novou úroveň přístupu k vyvíjejícímu se mozku., Kromě toho, pochopení počátků neurovývoj—a, kde funkce mozku zhatí—může poskytnout nové pohledy na dopad environmentální expozice.5 zjištění by jednoho dne mohla poskytnout cesty pro nové neuroprotektivní strategie.

Černou Skříňku Vývoje Mozku

Lidský mozek vývoj začíná brzy po početí a pokračuje až do rané dospělosti. Fetální mozek se začíná rozvíjet během třetího týdne těhotenství., Nervové progenitorové buňky se začínají dělit a diferencovat na neurony a glia, dva typy buněk, které tvoří základ nervového systému.6

do devátého týdne se mozek jeví jako malá, hladká struktura. V průběhu těhotenství se struktura mozku změní, jak roste, a začne tvořit charakteristické záhyby, které označují odlišné oblasti mozku. Změny v anatomii mozku odrážejí dramatické změny na buněčné úrovni. Neurony v různých oblastech mozku začínají produkovat chemické signalizační molekuly, které umožní komunikaci mezi nervovými buňkami., Tvoří se vláknové cesty, které se stanou informačním superdálcem mozku. Buňky, které tvoří neokortex-část mozku, která koordinuje zrak, zvuk, prostorové uvažování, vědomé myšlení a jazyk—začnou komunikovat.6

přestože je základ funkčního mozku sestaven prenatálně, samotná mozková funkce se po narození nadále rozvíjí, poháněná převážně smyslovým vstupem. Počet nervových spojení exploduje v prvních letech života-jev někdy označovaný jako synaptický “ velký třesk.,“7 po 2 letech věku se počet nervových spojení snižuje. V procesu známém jako synaptické prořezávání, mozek organizuje svůj konektom vykonávat efektivněji, odstranění neefektivních připojení k maximalizaci výkonu.

velké množství zvířecích a epidemiologických výzkumů naznačuje, že prenatální expozice škodlivým environmentálním podnětům, jako je stres matek nebo toxické látky, mohou změnit vývojovou trajektorii mozku plodu.8 nicméně, až do nedávné doby, prenatální neurodevelopment byla černá skříňka.,

„nevíme mnoho o tom, co se děje v plodu života, protože jsme neměli nástroje k měření vývoj mozku v plodu života,“ říká Robert Wright, environmentální epidemiolog a pediatr na Icahn School of Medicine v Mount Sinai v New Yorku. „Může se dokonce lišit od vývoje, jako smyslové vstupy jsou do značné míry biochemické a předán z matky na dítě, na rozdíl od přímé zkušenosti zvuk, světlo, teplota, a hnutí, které dítě zažívá.,“

vyvíjející se mozek spoléhá na environmentální a endogenní podněty, jako jsou tyto, aby mu pomohl určit, která spojení by měla být prořezána a která by neměla. „Když neuron vystřelí po správném signálu, jeho synaptické spojení se ztuhne,“ vysvětluje Wright. „Pokud je synaptické spojení neuronu zřídka vypáleno, ustupuje a je odstraněno.“

toxické expozice mohou interferovat se schopností mozku rozlišovat důležitá spojení od nedůležitých a měnit vývoj connectomu., Například olovo může způsobit, že neurony spontánně vystřelí při absenci správného signálu, říká Wright. „Nevhodným vyvoláním neuronální aktivity může změnit normální trajektorii synaptické formace a synaptického prořezávání, které je základem tvorby connectomu,“ vysvětluje. Nakonec tento typ rušení může vést k rozvoji maladaptivních signalizačních sítí mozku.

Rozvoj Nástrojů pro Studium Mozku v Děloze

Většina z toho, co vědci vědí o vývoj plodu mozku pochází z pohledu na zvířecí mozky nebo analýzu lidské posmrtné vzorků.,5 Tento výzkum poskytl poznatky o vývoji struktury mozku, ale nabízí jen málo vodítek o tom, jak se funkční systémy organizují.

prvních vyšetření lidského plodu funkce mozku se datují do roku 1950. Když vědci umístili elektrody na těhotné ženě břicho a na stěnách hrdla během porodu, mohou detekovat elektrické impulsy, které signalizuje mozku plodu aktivitu.5 vědců si začalo všimnout, že určité vzorce elektrické aktivity byly spojeny s neurologickými abnormalitami.,9

v 90. letech začali vědci experimentovat s fMRI, aby mapovali spojení v různých oblastech mozku.5 fMRI detekuje změny mozkové aktivity spojené se změnami průtoku krve. Během fMRI, pacient obvykle provádí úkol-při pohledu na obrázky tváří nebo poklepáním prstem—například-zatímco stroj skenuje jeho mozek. Vědci hledají oblasti mozku, které se během úkolu rozsvítí.,

do té doby neurovědci věděli, že se funkčně děje mnohem více, než by bylo možné sondovat stimulem nebo úkolem, ale nebylo jasné, jak tyto funkce nejlépe prozkoumat. Pak, v roce 1995, pak–postgraduální student Bharat Biswal udělal náhodné pozorování: mozek produkuje signály pořád, i když není zapojen do úkolu.10 manipulace s fMRI k měření těchto signálů klidového stavu umožnila vědcům poprvé zkoumat mozkovou aktivitu, aniž by subjekt musel tolik klepnout na prst.,

klidový stav fMRI nabídl jemnější pohled na dálnice a mezistáty spojující různé oblasti mozku. Tato spojení tvoří základ toho, jak mezi sebou komunikují různé oblasti mozku. Zatímco vyšetřovatelé byli dříve omezeni na studium funkce v určité oblasti mozku, nyní by mohli začít klást velké otázky týkající se funkce mozku na úrovni sítě.7

při hledání odpovědí o tom, jak a kdy se tvoří mozkové sítě, se vědci obrátili na předčasně narozené děti.,11 téměř 10% všech dětí na celém světě se narodilo předčasně, což znamená před koncem 37. týdne těhotenství.12 ve srovnání s termínovanými dětmi jsou u těchto dětí pravděpodobnější poruchy autistického spektra, porucha pozornosti/hyperaktivita, emoční poruchy a neurologické abnormality.13 předčasně narozených dětí má také větší pravděpodobnost kognitivních potíží a problémů ve škole později.13 rostoucí tělo výzkumu naznačuje, že tyto kognitivní poruchy mohou být způsobeny narušením způsobu, jakým je mozek zapojen před nebo krátce po narození.,5

Christopher Smyser, dětského neurologa na Washington University v St. Louis, Missouri, používají fMRI obrazy předčasně narozené dítě mozek studovat prenatální vývoj konektom. V roce 2010 ukázal, že děti narozené již 26 týdnů měly nezralé formy mnoha funkčních mozkových sítí viděných u dospělých.14

Tyto první studie Smyser a ostatním ukázal, že mozek je komunikační kanály byly přítomny před termínem porodu, i když v nezralém stavu., Předčasně narozené děti nabídly vědcům příležitost studovat vývoj nervových vzorů, které se obvykle odehrávají uvnitř dělohy. Vědci však zjistili, že je obtížné zjistit, zda vzorce, které viděli u těchto kojenců, odrážejí normální vývoj mozkových komunikačních sítí. Jak vypadala funkční konektivita ve zdravém termínu těhotenství?

Zobrazování Mozku Plodu

Úkol-na základě fMRI byla vždy špatná volba pro studium dětí příliš mladý, aby postupujte podle pokynů. V děloze to bylo ještě méně proveditelné., „Dalo by se nikdy vědět, co plod byl, zda bylo plnění úkolu nebo v klidu,“ říká Veronika Schöpf, profesor neurologický na Univerzitě ve štýrském hradci v Rakousku.

v roce 2010 začal Schöpf používat fMRI v klidovém stavu ke studiu mozků plodů. Nakonec naskenovala mozky více než 100 plodů v lůnech jejich matek.15 Byl to složitý úkol – příliš mnoho pohybu ze strany plodu mohlo rozmazat obraz. Nakonec Schöpf shromáždil funkční obrazy 16 zdravých plodů v období od 20.do 36. týdne těhotenství., Její studie byla první, která ukázala, že sítě klidového stavu byly přítomny-a mohly být detekovány—u plodu.

v době této studie byla chronologie vzniku funkčních sítí mozku stále neznámá. V následné studii 32 zdravých plodů v roce 2014 však Schöpf et al. ukázal, jak konektom vyvinut v průběhu druhé poloviny těhotenství, jak je krátký – a dlouho-rozsah spojení mezi různými oblastmi mozku začnou tvořit.16 zjistili, že vývoj těchto síťových připojení vrcholí mezi asi 27 a 30 týdny.,

Přibližně ve stejnou dobu, Moria Thomason, dětský neurolog na New York University School of Medicine, publikované v první studii prokázat věk-související změny v mozku plodu sítí. V kohortě těhotných žen v Detroitu našla rozdíly ve funkční konektivitě mezi 25 zdravými plody ve druhém versus třetím trimestru.17 také našla důkazy o synchronizované aktivitě mezi zrcadlovými oblastmi v obou hemisférách mozku., Studie ukázala, že tento vzorec koordinované činnosti se s každým dalším týdnem těhotenství zesílil.

Schöpf a Thomason dřívější studie nabízí první důkazy o načasování funkční vývoj mozku plodu. Oni také prokázáno, že resting-state fMRI může být užitečným nástrojem při identifikaci a lepší pochopení kritické okna nervový vývoj plodu. S tímto základem položen, vyšetřovatelé nyní mají za cíl objasnit původ neurologických onemocnění.,

Rozpletení Pre – a Postnatální Prostředí

studie předčasně narozených dětí provádí po narození, vědci zjišťují, že je těžké vědět, zda vývojové abnormality vznikají z předčasného porodu sama (např. v důsledku nedostatku kyslíku) a stres z následné lékařské zákroky, nebo pokud se tyto abnormality jsou výsledkem procesů onemocnění, která začala v děloze. Bez tohoto kusu hádanky není možné zjistit, zda je předčasný porod příznakem nebo příčinou vývojových problémů.,

totéž lze říci pro většinu studií environmentálních expozic v raném věku. „Pokud nemůžete oddělit prenatální od postnatálního prostředí, nemůžete se dostat k genezi onemocnění,“ říká Thomason.

expozice olova je jedním z příkladů. Expozice plodu olovu byla spojena s kognitivními poruchami v dětství.8 Pokud však bylo olovo přítomno v prostředí matky během těhotenství, je pravděpodobné, že bude přítomno také v prostředí dítěte (za předpokladu, že matka a dítě žijí společně v domě, kde bydlela během těhotenství)., Proto je obtížné určit, zda je nepříznivý kognitivní výsledek výsledkem něčeho, co se stalo buď ve fetálním životě, nebo když bylo dítě ve věku 1 nebo 2 let. „Zjistit, kdy efekt začal, by mohlo být vodítkem k pochopení, zda je kritickým oknem plodový život nebo později v životě,“ říká Wright.

v případě předčasného porodu by vědci ideálně analyzovali mozky předčasně narozených dětí před narozením, ale často je obtížné určit, které děti se narodí brzy., Nicméně, Thomason se podařilo udělat jen to, že tím, že studuje podmnožinou její kohortě těhotných Detroitu žen, kteří šli na dodat předčasně. V roce 2017 Thomason představil první přímý důkaz, že předčasně narozené děti mohou být před narozením zapojeny odlišně.18 fMRI obrazy vytvořené během těhotenství navrhl, rozdíl mezi mozkem versus předčasný termín děti: oblast na levé straně mozku, které se později tvoří jazyk-zpracování region měl slabší spojení do dalších oblastí mozku v plodu, který by se narodil předčasně, ve srovnání s plody provedena na termín.,

důležité je, že byl malý-jen 14 předčasných a 18 termínovaných těhotenství-a lékařský význam nálezů ještě není jasný. Dlouhodobé studie jsou potřebné k určení, zda rozdíly zjištěné v děloze předpovídají kognitivní poškození později v životě, podle Thomason.

nejstarší děti V Thomasonově detroitské kohortě nyní dosáhly školního věku. Pracuje na propojení vzorců rané mozkové aktivity s výsledky chování v dětství, včetně řeči, motorických dovedností a poznání., Pokud mapy funkční konektivity v mozku plodu se ukáže předvídat výsledky v oblasti zdraví, později v životě, zjištění přinese nám blíže k pochopení vzniku neurologického problémy.

pro Thomasona je však její výzkum stejně tak o nalezení měnitelných podmínek v prostředí, které by mohlo změnit vývojovou trajektorii dítěte, jako o pochopení geneze nemoci. Během domácích návštěv shromáždila informace o prostředí každého dítěte., „Fetální mozková aktivita může předpovědět konkrétní výsledek, ale jaké další faktory prostředí tlumí nebo zhoršují prenatální rizikové faktory?“ptá se.

Environmental Health Connections

jiní vědci se shodují, že působení na environmentální rizikové faktory může být klíčem k rozvoji účinných neurobehaviorálních intervencí.4 u předčasně narozených dětí by intervence mohly zahrnovat změnu nemocničního prostředí, říká Annemarie Stroustrup, neonatoložka v nemocnici Mount Sinai v New Yorku.,

„novorozenecká jednotka intenzivní péče není určena pro bezpečnost životního prostředí,“ říká Stroustrup. Předčasně narozené děti čelí řadě neznámých stresorů v NICU – od jasných světel a hlasitých zvuků až po stresující zásahy a potenciálně toxické chemikálie.19 například, plastové zdravotnické zařízení může obsahovat chemických látek způsobujících hormonální poruchy, jako jsou ftaláty nebo fenoly a intravenózní krmení řešení může obsahovat vysoké hladiny neurotoxické kovy, jako je hliník., Přestože tyto expozice mohou být pro starší pacienty do značné míry nebo zcela přijatelné, jejich toxicita je u předčasně narozeného dítěte zesílena.20

Stroustrup vede studii navrženou k pohledu na vývojové dopady expozic NICU.11 plánuje začlenit použití neurologický posoudit rozvoj nervového systému u předčasně narozených dětí podle NICU péče a pak porovnat brzy mozku připojení k opatření expozice a dětství behaviorální výsledky., „Pokud se ukáže, že některé morbidity souvisejí s environmentálními expozicemi v NICU, mohly by být tyto informace použity ke zlepšení prostředí NICU,“ říká.

mozek je plastický, zejména v dětství. To znamená, že je schopen organizovat své nervové spojení v reakci na své prostředí—včetně pozitivních i negativních vlivů. Přestože toxické expozice mohou mít negativní vliv, jiné pozitivní vlivy mohou pomoci vybudovat odolnost a zmírnit negativní dopady, Wright říká.,

„je to mylná představa, že pokud jste vystaveni určité chemické látce, jste předurčeni k poškození mozku,“ říká. „Nepříznivé výsledky nejsou v žádném případě osudem. Pozitivní vlivy mohou změnit mozek.“