Четыре возраста мозга: организуется заново

Структурная организация человеческого мозга меняется не линейно, а скачкообразно — в четыре определённых возраста, выяснила группа учёных. Крупное исследование обнаружило основные переходы в архитектуре нейронных связей примерно в 9, 32, 66 и 83 года. Материал опубликован в престижном издании Nature Communications.

Мозг — это сеть из соединённых между собой областей. Организация этой сети, которую называют топологией, определяет, насколько хорошо его части общаются между собой. Топологию можно измерить через такие понятия как интеграция (насколько хорошо вся сеть передаёт сигналы), сегрегация (насколько сети разбиты на отдельные группы) и центральность (какие именно области мозга служат как узлы-перекрёстки). От разной топологии зависят и разные способности человека: когнитивные и поведенческие.

Интеграция — это простота передачи информации через весь мозг: чем больше коротких путей между отдалёнными зонами, тем быстрее идёт обработка. Сегрегация раскрывает, как мозг разбит на «специализации» — например, отдельные области для зрения или управления движением. Центральность показывает, какие зоны работают как крупные информационные хабы.

В прошлых работах уже связывали топологию мозга с умственными способностями и психическим здоровьем в разные периоды жизни. Но принципы, по которым структура мозга перестраивается на протяжении всей жизни, оставались неясны. Исследователь из Кембриджского университета Алекса Моусли решила разобраться, есть ли у зреления мозга чёткие переломные моменты.

Учёные собрали данные МРТ более четырёх тысяч человек от рождения до 90-летнего возраста из девяти разных крупных баз данных. Это исследование считается масштабным: выборка превосходит две тысячи участников. Для анализа использовали специальный метод МРТ, отслеживающий движение молекул воды и позволяющий визуализировать линии связи и структуру мозга. Потом данные разных баз выровняли, чтобы убрать искажения из-за разных томографов. Учёные рассчитали сразу 12 метрик для топологии у каждого участника. Чтобы результаты у разного возраста были сравнимы, учли плотность связей в сети.

Затем исследователи применили методы машинного обучения: они перенесли показатели топологии в трёхмерное пространство и проследили, в какие моменты направление развития резко менялось — эти точки и посчитали поворотными.

Выявили четыре ключевых поворотных возраста мозга: 9, 32, 66 и 83 года. Жизнь делится на пять "эпох" развития с уникальным паттерном изменений.

Первая эпоха — с рождения до 9 лет: глобальная интеграция мозга снижается, а "местная" сегрегация растёт. Именно по локальным связям мозга проще всего сказать, сколько ребёнку лет. К концу этой эпохи (примерно начало полового созревания) мозг интенсивно "отстригает" лишние связи.

Вторая эпоха — 9-32 года: подростковый и ранний взрослый возраст. Мозг становится всё более интегрированным (расширяются связи между разными областями), сегрегация снижается. В это время наиболее интересно соотношение между эффективностью глобальных связей и локальными специализациями.

Самый крупный поворот и пик изменений — 32 года. Это совпадает с максимальным объёмом белого вещества ("изоляция проводов" головного мозга). После пика начинается третья эпоха (32-66 лет).

Промежуточный взрослый возраст — самая "стабильная" эпоха: архитектура сети меняется медленно, интеграция снова чуть падает, локальная эффективность растёт. Лидирующую роль тут играют изменения сегрегации.

Следующий резкий переход — 66 лет, и с этого момента (до 83 лет) структура мозга становится более модульной: сеть делится на сильно связанные "группы". Это упрощение объясняется возрастным ухудшением белого вещества.

Финальный отрезок: 83-90 лет — связь между возрастом и топологией мозга почти исчезает, важными становятся отдельные локальные "хабы" (центральность).

Есть ограничения: исследование не наблюдательное (разные люди сравнивались между собой), а значит, нельзя отследить индивидуальные изменения одной персоны. Кроме того, авторам пришлось использовать фиксированные фильтры плотности связей, что может скрыть менее заметные отличия, и не делить участников по полу. В самой старшей группе оказалось всего 93 человека, что понижает статистическую мощность в этой ветке. Более того, вероятно, эти участники были в среднем здоровее своих ровесников, иначе их бы не взяли в исследование. Это искажает итоговые выводы о преклонном возрасте.

Исследование называется "Topological turning points across the human lifespan", среди авторов — Alexa Mousley, Richard A. I. Bethlehem, Fang-Cheng Yeh и Duncan E. Astle.