Nu kan forskerne kigge dybere ind i hjernen
Med et nyt 3D hjerneatlas kan forskere i en hidtil uset detaljeringsgrad analysere hele hjernen og gøre nye opdagelser i forskellige typer af hjerneskanninger.
Oula Puonti, Danish Research Centre for Magnetic Resonance
MR-skannerens rumlen og banken om ørerne på en person, som lægger hoved til en skanning, er et varsel om, at det usynlige snart bliver synligt. MR-skanninger giver som bekendt læger og forskere et unikt kig ind i hjernen, og med avancerede analyseværktøjer trækker de informationer ud af skanningerne og tolker dem. Men det sker, at de ikke får de vigtigste detaljer med. Det skal et nyt hjerneatlas råde bod på.
”Vi kan nu analysere store mængder af hjerneskanninger på meget kortere tid, og med højere detaljeringsgrad og dybde end tidligere. Det kan få stor betydning inden for neurovidenskaben.”
NextBrain hedder det nye atlas, som netop er præsenteret af et internationalt hold af forskere i en artikel i tidsskriftet Nature.
Et hjerneatlas fungerer som en rumlig reference til analyse og tolkning af MR-skanninger.
I reglen repræsenterer et atlas den raske gennemsnitshjerne hos voksne mennesker, men kan også være tilpasset alder, køn etnicitet eller bestemte sygdomme.
Forskere og læger bruger bl.a. et hjerneatlas til at undersøge, om der i deres MR-skanninger er afvigelser fra den raske gennemsnitshjerne.
Ekstra værktøjer i form af specialiseret software kan sættes til automatisk segmentering, altså opdeling i interesseområder, statistisk analyse eller modellering.
Den MR-skanning, man vil undersøge, tilpasses atlassets koordinater, så de enkelte strukturer kan omsættes til talværdier, og det bliver muligt at sammenligne og måle bl.a. volumen, tykkelse og intensitet i signaler.
Atlasset er open source og frit tilgængeligt.
Det nye atlas er et digitalt 3D kort over menneskehjernen, baseret på fotos og analyser af hjernevæv fra afdøde. Modellen repræsenterer et sandsynligt bud på, hvordan en rask gennemsnitshjerne ser ud i detaljer. Og atlasset skal bruges som rumlig reference for MR-skanninger.
Research Fellow Oula Puonti fra Danish Research Centre for Magnetic Resonance (DRCMR), på Amager- og Hvidovre Hospital, er støttet af 鶹Լ, og han har bidraget til udviklingen af atlasset. Han har desuden også været med til at udvikle en metode, som gør brugen af NextBrain enklere og hurtigere.
Han fortæller, hvordan det nye atlas adskiller sig fra andre:
”NextBrain dækker i modsætning til andre tilsvarende modeller hele hjernen, og vi kan foretage analyser af hjernens strukturer i en meget finere detaljeringsgrad. For eksempel har vi tidligere stort set kun haft mulighed for at arbejde med den overordnede struktur af hippocampus, som er vores hukommelsescenter, men nu kan vi få flere understrukturer med. Og vi kan analysere forandringer i strukturerne og i funktionen, alt efter hvilken type af MR-skanninger, vi har at gøre med.”
Atlasset tager både højde for biologisk variation, og for de mange forskellige billedformater og – kvaliteter, som læger og forskere arbejder med. Og det gør modellen nuanceret og statistisk robust.
Udviklingen af NextBrain blev ledet af lektor i radiologi Juan Eugenio Iglesias fra Massachusetts General Hospital i Boston.
Testet på hjerner med alzheimers og alderstegn
Fem hjernehalvdele fra afdøde mennesker udgør fundamentet for det nye hjerneatlas, som skal hjælpe forskere til mere dybgående, præcise og statistisk sikre analyser af MR-hjerneskanninger.
De fem hjernehalvdele er skåret i omkring 10.000 skiver, som er præpareret og placeret mellem to glasplader. Dernæst er de fotograferet under mikroskop, og ved hjælp af sandsynlighedsteori og maskinlæring er billederne sat sammen til en 3D model, som repræsenterer en gennemsnitshjerne for en voksen person. Hjernen er dernæst delt i 333 områder, som er særligt relevante for læger og forskere at undersøge.
“Det er en svær struktur at analysere i MR‑billeder, især fordi den folder på en måde, som ikke altid kan ses på en MR-skanning. Derfor vil vi med NextBrain, se, om vi kan visualisere lillehjernens struktur bedre.”
Ud fra modellen kan et computerprogram, udviklet til formålet, automatisk lave en segmentering, som er en tilpasning af MR-skanningerne til Atlas-koordinatsystemet og de 333 områder, så strukturerne kan sammenlignes og forskerne kan måle og undersøge deres anatomi og funktion.
Forskerne bag NextBrain har testet deres værktøjer blandt andet på et datasæt med knap 400 hjerneskanninger af mennesker med og uden Alzheimers.
Det var muligt med det nye værktøj at skelne med 90,3 pct. sikkerhed mellem hjerner med og uden forandringer som følge af Alzheimers. Det er 4-5 pct. bedre end de mest anvendte standard-værktøjer.
I en anden test blev MR-skanninger i høj kvalitet af hjernen hos 705 levende personer i et aldersspænd mellem 36 og 90 sammenholdt med NextBrain. Og med atlasset og de tilhørende analyseværktøjer kunne forskerne vise i detaljer, hvordan volumen af de forskellige understrukturer gradvist ændrer sig, når vi ældes.
Har sat turbo på atlasset
Siden NextBrain blev lanceret har Oula Puonti været med til at sætte fart på segmentering med atlasset, for den oprindelige model var tung at arbejde med.
”Fordi der er så mange 3D-datapunkter, kræver atlasset stor computerkraft, og det tog lang tid at køre analyser med den oprindelige metode. Så vi satte os for at gøre det nemmere og hurtigere at arbejde med,” fortæller han.
Løsningen blev en kombination af forskellige teknologier og metoder, som tilsammen gør værktøjet hurtigere og tilmed mere præcist. Blandt andet blev en kunstig intelligens trænet til lynhurtigt at identificere kontraster, så den effektivt kan sortere efter forskelle i billedmaterialet.
Til at øge hastigheden brugte forskerne også GPU`er, som er processorer, beregnet til behandling af store datasæt. Processen gik fra en trinvis segmentering til segmentering i et hug, og resultaterne taler for sig selv. For eksempel kan en segmentering, som før varede en uge, nu klares på 90 minutter. Og en anden, som før tog et par dage eller tre, er klar på 20 minutter uden GPU og under 5 minutter med GPU.
”Vi kan nu analysere store mængder af hjerneskanninger på meget kortere tid, og med højere detaljeringsgrad og dybde end tidligere. Det kan få stor betydning inden for neurovidenskaben,” siger Oula Puonti.
Selvom om NextBrain som udgangspunkt er beregnet til forskning, ser Oula Puonti også store perspektiver i at udnytte atlasset til diagnostik og behandling.
”Fordi atlasset har alle de understrukturer med, kan det forhåbentlig anvendes til at undersøge mange forskellige sygdomme,” siger han.
”Et drømmescenarie ville være, at det kunne bruges til at opdage mere følsomme biomarkører for sygdomme som Alzheimers og Parkinsons, for så kunne man stille diagnoserne tidligere, og også bedre følge sygdommenes udvikling. Ligesom man også kunne evaluere, hvordan forskellige behandlinger virker.”
Atlasset er open source og frit tilgængeligt, så enhver, som har mod på at undersøge hjernen nærmere, kan bare gå i gang.