Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια σειρά δωρεάν εργαλείων για την ανάλυση τεράστιων ποσοτήτων φωτογραφιών ανατομής εγκεφάλου σε τράπεζες εγκεφάλου σε όλο τον κόσμο για να βελτιώσουν την κατανόηση των νευροεκφυλιστικών ασθενειών.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε σήμερα ως Reviewed Preprint στο eLife, περιγράφεται από τους εκδότες ως ένα πολύτιμο εργαλείο ανοιχτού κώδικα για ερευνητές στον τομέα της νευροπαθολογίας και της νευροαπεικόνισης, που υποστηρίζεται από πειστικά στοιχεία από πειράματα που χρησιμοποιούν τόσο πραγματικά όσο και συνθετικά δεδομένα.
Η μέτρηση του όγκου των διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου είναι ένας σημαντικός τρόπος για να κατανοήσουμε τη γήρανση και τις νευροεκφυλιστικές ασθένειες και συνήθως πραγματοποιείται είτε με τη χρήση μαγνητικής τομογραφίας (MRI) σε ανθρώπους όσο είναι ζωντανοί είτε με τη μελέτη τμημάτων εγκεφαλικού ιστού που δωρίζονται σε τράπεζες εγκεφάλου. μετά θάνατον.
Η δυνατότητα σύνδεσης των αποτελεσμάτων της μικροσκοπικής ανάλυσης ιστού με μεγάλης κλίμακας μακροσκοπικά δεδομένα από μαγνητικές τομογραφίες είναι ανεκτίμητη, αλλά οι σαρώσεις μαγνητικής τομογραφίας λαμβάνονται συνήθως από ασθενείς πολλά χρόνια πριν πεθάνουν, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη σύνδεση αυτού που φαίνεται στη σάρωση με αυτό που φαίνεται αργότερα στο μικροσκόπιο.
Μια εναλλακτική λύση είναι η λήψη μαγνητικής τομογραφίας εγκεφάλου μετά τη νεκροψία και πριν από τη λήψη τομών ιστού για μικροσκοπική ανάλυση. Ωστόσο, λίγα κέντρα βιοτραπεζών διαθέτουν τον εξοπλισμό ή την τεχνογνωσία για να το κάνουν αυτό. Αντίθετα, ποσοτικές μετρήσεις όπως το πάχος του φλοιού και η ατροφία συγκεκριμένων περιοχών εκτιμώνται συχνά ποιοτικά από ερευνητές που εξετάζουν φέτες εγκεφάλου.
Ο Harshvardhan και οι συνεργάτες του έχουν αναπτύξει μια σειρά υπολογιστικών εργαλείων που θα επιτρέψουν σε άλλους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν αυτές τις φωτογραφίες ανατομής για να ανακατασκευάσουν μια τρισδιάστατη εικόνα του εγκεφάλου.
Η σουίτα είναι δωρεάν διαθέσιμη και έχει τρεις ενότητες:
- Η πρώτη διορθώνει για διαφορετικές προοπτικές και μεγέθη pixel στις αρχικές εικόνες
- μετά η δεύτερη δημιουργεί μια τρισδιάστατη ανακατασκευή του εγκεφάλου από τις φωτογραφίες, χρησιμοποιώντας μια τρισδιάστατη σάρωση επιφάνειας εγκεφάλου ή γενικό άτλαντα εγκεφάλου ως σημείο αναφοράς
- τέλος, η τρίτη ενότητα στη συνέχεια χωρίζει την ανακατασκευή του εγκεφάλου σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου—όπως ο ιππόκαμπος, ο θάλαμος και ο φλοιός.
Η δομή και οι όγκοι αυτών των περιοχών μπορούν στη συνέχεια να συγκριθούν με άλλες μαγνητικές τομογραφίες και να χρησιμοποιηθούν μαζί με τα μικροσκοπικά δεδομένα για να μάθουν περισσότερα σχετικά με τις αλλαγές που συμβαίνουν στη νευροεκφυλιστική νόσο.
Για να αξιολογήσει την ακρίβεια των εργαλείων, η ομάδα πραγματοποίησε τρία βήματα επικύρωσης. Πρώτον, χρησιμοποίησαν το εργαλείο τους για να αναλύσουν φωτογραφίες ανατομής από 21 επιβεβαιωμένες περιπτώσεις νόσου Αλτσχάιμερ μετά τη θανάτωση και 12 εγκεφάλους ελέγχου που ταιριάζουν με την ηλικία. Αυτό έδειξε ότι το μοντέλο κατέγραψε γνωστά μοτίβα της νόσου του Αλτσχάιμερ, όπως η συρρίκνωση (ατροφία) στον ιππόκαμπο και η διεύρυνση της εγκεφαλικής κοιλίας.
Στη συνέχεια, συνέκριναν την ακρίβεια του νέου εργαλείου με την τρέχουσα μέθοδο ανάλυσης χρυσού προτύπου, η οποία χρησιμοποιεί μια διαφορετική τεχνική για το βήμα τμηματοποίησης. Αυτό έδειξε ότι το νέο εργαλείο ξεπέρασε την παλαιότερη έκδοση με πολλούς τρόπους: για παράδειγμα, ήταν πιο αποτελεσματικό στη συμπλήρωση πληροφοριών που λείπουν μεταξύ των τμημάτων του εγκεφάλου.
Τέλος, η ομάδα αξιολόγησε πόσο ισχυροί είναι οι αλγόριθμοι στην ανακατασκευή του εγκεφάλου σε ένα μεγάλο, μεταβλητό σύνολο δεδομένων που προσομοιώθηκαν από μαγνητικές τομογραφίες από άλλους 500 συμμετέχοντες. Αυτό έδειξε ότι η μέθοδος ήταν αρκετά ισχυρή ακόμη και όταν υπήρχε μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των εικόνων τομής εγκεφάλου, αλλά έδειξε επίσης ότι η συνέπεια στο πάχος των τμημάτων του εγκεφάλου είναι σημαντική για την ακρίβεια.