Aivot ennen Syntymää: Käyttämällä fMRI Tutkia Salaisuudet Sikiön Hermoston | Environmental Health Perspectives | Vol. 126, Nro 11

autismi skitsofreniaan, monet aivojen sairaudet on jo pitkään ollut ajatellut syntyä ongelmia yhteyksien joukossa hermosolujen aivoissa.1 Miljardeja rihmamaisia kuidut ristiin rastiin aivot, jotka muodostavat monimutkaisia verkostoja, jotka välittävät viestejä eri aivojen alueilla.2 Tutkijat kutsuvat tätä signalointi spagetti, että ”connectome,”1, ja se tekee suunnitelma biljoonia hermo yhteyksiä aivoissa.,

Jotkut tutkijat epäilemään, että nämä yhteydet koodata keskeisiä näkökohtia persoonallisuus, käyttäytyminen, kognitio ja muisti. Kuten neurotieteilijä Sebastian Seung tekstitti vuoden 2012 kirjansa Connectome, hermokaapelimme tekevät meistä keitä olemme.3

viime vuosikymmenen aikana, kehitys on neuroimaging tekniikkaa kutsutaan functional magnetic resonance imaging (fMRI) ovat tarjonneet tutkijoille ennennäkemättömän katso, miten nämä yhteydet muodostavat ennen ja pian syntymän jälkeen. Näillä edistysaskeleilla ne ovat myös alkaneet avata joitakin epänormaalin aivokehityksen allekirjoituksia.,

fMRI ei ole täydellinen. Kuvat tuottama teknologia usein on manipuloitu korjata vääristymiä ja mittakaavassa aivojen skannaa yhdenmukainen, vertailukelpoinen malli. Liike aiheuttaa ongelmia tietojen analysointi ja tulkinta—ja vauvat ja sikiöt ovat tunnetusti kitisevät, paitsi unessa tai rauhoitettu. Lopuksi, tekniset kysymykset mahdollisesti johtaa esineitä, joita ei ehkä tunnisteta virheitä.4

fMRI on kuitenkin tarjonnut myös uudenlaisen pääsyn kehittyviin aivoihin., Lisäksi ymmärrystä alkuperä hermoston—ja jossa aivojen toiminta menee pieleen—voi tarjota uusia oivalluksia vaikutus ympäristö-vastuita.5 havainnot voisivat jonain päivänä tarjota väyliä uusille neuroprotektiivisille strategioille.

Musta Laatikko Aivojen Kehitystä

Ihmisen aivojen kehitys alkaa heti hedelmöittymisen jälkeen ja jatkuu varhaiseen aikuisuuteen. Sikiön aivot alkavat kehittyä raskauden kolmannella viikolla., Hermo kantaisä solut alkavat jakaantua ja erilaistua neuronien ja glia, kaksi solutyyppejä, jotka muodostavat perustan hermostoon.6

yhdeksännellä viikolla aivot näkyvät pienenä, sileänä rakenteena. Aikana raskauden, rakenne aivojen muuttuu, koska se kasvaa ja alkaa muodostua ominaisuus taittuu, jotka nimeävät eri aivojen alueilla. Muutokset aivojen anatomiassa heijastavat dramaattisia muutoksia solutasolla. Eri aivoalueiden neuronit alkavat tuottaa kemiallisia signalointimolekyylejä, jotka mahdollistavat hermosolujen välisen viestinnän., Aivojen informaation valtatieksi tulevat kuitureitit ovat muodostumassa. Solut, jotka muodostavat aivokuori—osa aivoista, joka koordinoi näky, ääni, spatiaalinen päättely, tietoisen ajattelun ja kielen—alkaa kommunikoida.6

vaikka toimivan aivojen perusta kootaan ennallistetusti, itse aivotoiminta kehittyy edelleen syntymän jälkeen pitkälti aistien vaikutuksesta. Hermoyhteyksien määrä räjähtää ensimmäisinä elinvuosina-ilmiöstä käytetään joskus nimitystä synaptinen ” alkuräjähdys.,”7 kun ikää on 2 vuotta, hermoyhteyksien määrä vähenee. Prosessissa, joka tunnetaan synaptic karsimisesta, aivot järjestää sen connectome suorittaa tehokkaammin, poistamalla tehottomia yhteydet suorituskyvyn maksimoimiseksi.

suuri joukko eläin-ja epidemiologiset tutkimukset viittaavat siihen, että raskaudenaikainen altistus haitallisille ympäristön ärsykkeisiin, esimerkiksi äidin stressi tai myrkyllisiä aineita, voi muuttaa kehityksen kehityskaari sikiön aivojen.8 kuitenkin viime aikoihin asti raskausajan neurokehitys oli musta laatikko.,

”Emme tiedä paljon siitä, mitä tapahtuu sikiön elämän, koska meillä ei ole ollut välineitä mitata aivojen kehitykseen sikiön elämää,” sanoo Robert Wright, ympäristön epidemiologi ja lastenlääkäri Icahn School of Medicine at Mount Sinai New Yorkissa. ”Se voi jopa poiketa kehitystä, kuten aistien tulot ovat suurelta osin biokemiallisia ja siirtyy äidistä lapseen, toisin kuin välitön kokemus ääni -, valo -, lämpötila -, ja liike, että lapsi kokemuksia.,”

kehittyvät aivot tukeutuvat ympäristön ja endogeenisten ärsykkeiden kaltaisiin ärsykkeisiin auttaakseen sitä määrittämään, mitkä yhteydet tulisi karsia ja mitkä eivät. ”Kun neuroni ampuu oikean signaalin jälkeen, sen synaptiset yhteydet jähmettyvät”, Wright selittää. ”Jos neuronin synaptinen yhteys harvoin laukeaa, se taantuu ja poistuu.”

Myrkyllisiä vastuisiin voi häiritä aivojen kykyä erottaa tärkeät yhteydet merkityksettömiä, muuttaa kehityksen connectome., Esimerkiksi lyijy voi aiheuttaa neuronien palo spontaanisti ilman kunnollista signaalia, Wright sanoo. ”Aiheuttamalla hermosolujen toimintaa sopimattomasti, voi muuttaa normaali kehityskaari synapsien muodostumista ja synaptic karsimisesta, että sen taustalla muodostumista connectome”, hän selittää. Viime kädessä tämäntyyppiset häiriöt voivat johtaa maladaptive aivojen signalointiverkostojen kehittymiseen.

Kehittää Työkaluja, Tutkia Aivojen Kohdussa

Useimmat mitä tiedemiehet tietävät sikiön aivojen kehitystä tulee tarkastella eläimen aivot tai analysoimalla ihmisen kuoleman jälkeen näytteet.,5 Tämä tutkimus on antanut oivalluksia aivojen rakenteen kehityksestä, mutta se tarjoaa vain vähän vihjeitä siitä, miten funktionaaliset järjestelmät järjestäytyvät.

varhaisimmat tutkimukset ihmisen sikiön aivojen toiminto päivämäärän 1950-luvulla. Kun tutkijat sijoittaa elektrodit raskaana olevan naisen vatsan ja seinät kohdunkaula synnytyksen aikana, he voisivat tunnistaa sähkö-impulsseja, jotka viestitti sikiön aivojen toimintaa.5 tutkijat alkoivat huomata, että tietyt sähkötoimintamallit liittyivät neurologisiin poikkeavuuksiin.,9.

1990-luvulla, tutkijat alkoi kokeilla fMRI-kartta yhteyksiä eri alueilla aivoissa.5 fMRI havaitsee muutoksia aivotoiminnassa, jotka liittyvät veren virtauksen muutoksiin. FMRI: n aikana potilas suorittaa tyypillisesti tehtävän—katselee esimerkiksi kasvojen kuvia tai sormenkäänteitä—koneen skannatessa aivojaan. Tutkijat etsivät aivojen alueita, jotka syttyvät tehtävän aikana.,

siinä vaiheessa neurotieteilijät tiesivät, että toiminnallisesti tapahtuu paljon enemmän kuin mitä virikkeellä tai tehtävällä voitiin testata, mutta oli epäselvää, miten näitä toimintoja voitaisiin parhaiten tutkia. Sitten, vuonna 1995, sitten–jatko-opiskelija Bharat Biswal teki satunnainen havainto: aivot tuottaa signaaleja koko ajan, silloinkin, kun se ei harjoita tehtävää.10 Manipuloimalla fMRI mittaa nämä lepo-tilaan signaaleja saa tutkijat ensimmäistä kertaa tutkimaan aivojen toimintaa ilman, että aihetta tarvitsee niin paljon kuin napauttamalla sormella.,

Lepo-state fMRI tarjosi monipuolisemman katso moottoriteitä ja isoja teitä yhdistää eri aivojen alueilla. Nämä yhteydet muodostavat perustan sille, miten aivojen eri alueet kommunikoivat keskenään. Ottaa huomioon, että tutkijat aiemmin oli rajattu opiskelu-toiminto tietyllä aivojen alueella, he voisivat nyt alkaa kysyä, iso-kuva, verkko-tason kysymyksiä aivotoimintaa.7

etsiä vastauksia siitä, miten ja milloin aivojen verkostojen muodossa, tutkijat kääntyi keskosilla.,11 lähes 10 prosenttia kaikista maailman vauvoista syntyy keskosena eli ennen 37.raskausviikon päättymistä.12 verrattuna termi vauvoille, nämä lapset ovat todennäköisemmin kehittää autismin kirjon häiriöt, tarkkaavaisuushäiriö / ylivilkkaushäiriö, emotionaalisia häiriöitä, ja neurologisia poikkeavuuksia.13 keskosilla ovat myös todennäköisemmin kognitiivisia vaikeuksia ja ongelmia koulussa myöhemmin.13 yhä useammat tutkimukset viittaavat siihen, että nämä kognitiiviset häiriöt voivat johtua häiriöitä tapa aivot on kytketty ennen tai pian syntymän jälkeen.,5

Christopher Smyser, lapsipotilailla neurologi at Washington University in St. Louis, Missouri, käytetään fMRI-kuvia ennenaikaisen vauvan aivot tutkimuksen synnytystä kehitystä connectome. Vuonna 2010 hän osoitti, että vauvoja syntynyt jo 26 viikkoa hallussaan kehittymätön muotoja, monet toiminnallinen aivojen verkkojen aikuisilla.14

Nämä ensimmäiset tutkimukset Smyser ja toiset osoittivat, että aivojen viestintäkanavia olivat läsnä ennen aikavälillä syntymä, vaikkakin vuonna kehittymätön valtio., Keskosvauvat tarjosivat tutkijoille mahdollisuuden tutkia hermosolujen kehitystä, joka tapahtuu yleensä kohdun sisällä. Tutkijoiden oli kuitenkin vaikea tietää, heijastuvatko näissä pikkulapsissa havaitut kuviot aivojen viestintäverkkojen normaaliin kehitykseen. Miltä toiminnallinen yhteys näytti terveellä termillä raskaus?

Imaging Sikiön Aivojen

Tehtävä-pohjainen fMRI oli aina ollut huono vaihtoehto opiskeluun lapset liian nuori seuraa ohjeita. Kohdussa se oli vielä vähemmän toteutettavissa., ”Et voi koskaan tietää, mitä sikiö oli, oliko se suorittaa tehtävän tai levossa”, sanoo Veronika Schöpf, professori neuroimaging Grazin Yliopistossa Itävallassa.

Vuonna 2010, Schöpf alkoi käyttää lepo-state fMRI-tutkimuksessa aivot sikiöitä. Hän skannasi lopulta yli 100 sikiön aivot emojensa kohtuihin.15 se oli hankala tehtävä—sikiön liika liike saattoi hämärtää kuvaa. Lopulta, Schöpf oli kerännyt toiminnallinen kuvia 16 terveitä sikiöitä ulottuu 20 36. raskausviikolla., Hänen tutkimuksensa oli ensimmäinen, joka osoitti, että lepotilojen verkostot olivat läsnä—ja niitä voitiin havaita—sikiössä.

tämän tutkimuksen aikaan aivojen toiminnallisten verkostojen syntymisen kronologiaa ei vielä tunneta. Kuitenkin vuonna 2014 tehdyssä seurantatutkimuksessa 32 terveestä sikiöstä, Schöpf et al. osoitti, miten konnektomi kehittyi raskauden jälkipuoliskolla, kun eri aivoalueiden väliset lyhyen ja pitkän matkan yhteydet alkavat muodostua.16 he havaitsivat, että kehitys näiden verkkoyhteyksien huiput välillä noin 27 ja 30 viikkoa.,

samoihin aikoihin, Darrick Thomason, lapsipotilailla aivotutkija at New York University School of Medicine, julkaistu ensimmäinen tutkimus osoittaa, ikään liittyviä muutoksia sikiön aivojen verkkojen. Kohortin raskaana Detroit naiset, hän huomasi eroja toiminnalliset yhteydet keskuudessa 25 terveiden sikiöiden toisessa vs. kolmannen raskauskolmanneksen.17 Hän löysi myös todisteita synkronoidusta toiminnasta peilialueiden välillä aivojen kahdella pallonpuoliskolla., Tutkimus osoitti, että tämä koordinoidun toiminnan malli vahvistui jokaisen kuluvan raskausviikon myötä.

Schöpfin ja Thomasonin varhaiset tutkimukset tarjosivat ensimmäisen näytön sikiön aivojen toiminnallisen kehityksen ajoituksesta. He myös osoittivat, että lepo-state fMRI voi olla hyödyllinen työkalu tunnistaa ja ymmärtää paremmin kriittinen windows sikiön hermoston. Tämän pohjatyön avulla tutkijat pyrkivät nyt selvittämään neurologisten sairauksien alkuperää.,

Disentangling Pre – ja Postnataalista Ympäristöissä

tutkimuksissa keskosten suoritettiin syntymän jälkeen, tutkijat löytää se vaikea tietää, onko epämuodostumia johtuvat ennenaikaisen synnytyksen itse (esim., seurauksena hapen puutteesta) ja stressiä myöhemmin lääketieteellisiä toimenpiteitä, tai jos nämä poikkeamat ovat seurausta taudin prosesseja, jotka alkoi kohdussa. Ilman tuota palapelin palasta on mahdotonta selvittää, onko keskosuus oire vai kehitysongelmien syy.,

samaa voidaan sanoa useimmista varhaisen vaiheen ympäristöaltistuksia koskevista tutkimuksista. ”Jos synnytystä ei voi irrottaa postnataalisesta ympäristöstä, taudin syntyyn ei pääse käsiksi”, Thomason sanoo.

Lyijyaltistus on yksi esimerkki. Sikiön altistuminen lyijylle on yhdistetty lapsuuden kognitiivisiin heikentymisiin.8 Kuitenkin, jos johto oli läsnä äidin ympäristö raskauden aikana, se on todennäköisesti läsnä lapsen ympäristössä, liian (jos äiti ja lapsi asuvat yhdessä kotiin, jossa hän asui, kun raskaana)., Siksi, onko haitallisia kognitiivisia tulos on seurausta jotain, joka tapahtui joko sikiövaiheessa tai kun lapsi oli 1-tai 2-vuotias, on vaikea määrittää. ”Perustamisesta, kun vaikutus alkoi saattaa olla vihje ymmärtää, jos kriittinen ikkuna on sikiövaiheessa tai myöhemmin elämässä”, sanoo Wright.

ennenaikaisesti syntyneiden kohdalla tutkijat analysoisivat mieluiten keskosten aivoja ennen syntymää, mutta usein on vaikea tunnistaa, mitkä vauvat syntyvät aikaisin., Kuitenkin, Thomason on onnistunut tekemään juuri, että tutkimalla osajoukko hänen kohortti raskaana Detroit naisia, jotka lähtivät toimittamaan ennenaikaisesti. Vuonna 2017 Thomason esitti ensimmäisen suoran todisteen siitä, että keskosena syntyneillä pikkulapsilla saattaa olla eri kytkentä ennen syntymää.18 fMRI-kuvia syntyy raskauden aikana ehdotti eroa aivot ennenaikaisen vs. aikavälin vauvoja: alue vasemmalla puolella aivoja, joka myöhemmin muodostaa kieli-processing alue oli heikompi yhteydet muihin aivojen alueilla sikiöillä, että olisi syntynyt ennenaikaisesti verrattuna sikiöiden kuljetetaan aikavälillä.,

– Tärkeintä, että oli pieni—vain 14 keskosten ja 18 raskauksista—ja lääketieteellistä merkitystä tuloksista ei ole vielä selvää. Pitkän aikavälin tutkimuksia tarvitaan, onko eroja havaittu kohdussa ennustaa kognitiivisia vajaatoiminta myöhemmin elämässä, mukaan Thomason.

Thomasonin Detroitin kohortin vanhimmat lapset ovat nyt kouluiässä. Hän pyrkii yhdistämään varhaisen aivotoiminnan kuviot lapsuuden käytöstuloksiin, kuten puheeseen, motorisiin taitoihin ja kognitioon., Jos karttoja toiminnallinen yhteys sikiön aivojen osoittautua ennustaa terveydentilaan myöhemmin elämässä, havainnot tuo meidät lähemmäksi ymmärrystä alkuperä hermoston ongelmia.

Kuitenkin, Thomason, hänen tutkimus on niin paljon löytää voi muuttaa ehtoja ympäristössä, joka voi muuttaa lapsen kehityksen kehityskaari, koska se on noin ymmärrystä genesis-taudin. Kotikäyntien aikana hän on kerännyt tietoa jokaisen lapsen ympäristöstä., ”Sikiön aivotoiminta voi ennustaa tiettyä lopputulosta, mutta mitkä muut ympäristötekijät puskuroivat tai pahentavat raskausajan riskitekijöitä?”hän kysyy.

Ympäristön Terveyden Yhteyksiä

Muut tutkijat samaa mieltä siitä, että toimivan ympäristön riskitekijät voivat olla avainasemassa kehitettäessä tehokkaita hermosolujen interventioita.4 keskosilla, interventioita voisi sisältyä muuttaminen sairaala-ympäristö, sanoo Annemarie Stroustrup, vastasyntyneiden Mount Sinai-Sairaalassa New Yorkissa.,

”vastasyntyneiden teho-osastoa ei ole suunniteltu ympäristöterveyden turvallisuuteen”, Stroustrup sanoo. Ennenaikaisesti syntyneiden vauvojen kasvot monia tuntemattomia stressitekijöitä teho-osastolla—päässä kirkkaat valot ja kovat äänet stressaavaa interventioiden ja mahdollisesti myrkyllisiä kemikaaleja.19 esimerkiksi, muovi lääketieteen laitteet voivat sisältää hormoneja häiritseviä kemikaaleja, kuten ftalaatteja tai fenolit, ja laskimoon ruokinta ratkaisut voivat sisältää korkeita neurotoksisia metallit, kuten alumiini., Vaikka tällaiset altistukset voivat olla suurelta osin tai kokonaan siedettäviä iäkkäille potilaille,niiden myrkyllisyys lisääntyy keskosella.20

Stroustrup johtaa tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella kehityshäiriöitä ja VASTASYNTYNEIDEN vastuita.11 Hän aikoo sisällyttää käyttöä neuroimaging arvioida hermoston keskosilla alle VASTASYNTYNEIDEN teho-osastolle hoitoon ja sitten verrata varhaisen aivojen yhteydet toimenpiteisiin altistumisen ja lapsuusiän käyttäytymiseen tuloksia., ”Jos käy ilmi, että joitakin sairauksia liittyvät ympäristön vastuiden NICU, että tietoja voitaisiin käyttää parantamaan NICU ympäristö”, hän sanoo.

aivot ovat muoviset etenkin lapsuudessa. Tämä tarkoittaa, että se pystyy organisoimaan hermoyhteytensä vastauksena ympäristöönsä – mukaan lukien sekä positiiviset että negatiiviset vaikutukset. Vaikka myrkyllisillä altistuksilla voi olla kielteinen vaikutus, muut positiiviset vaikutukset voivat auttaa rakentamaan sietokykyä ja lieventämään kielteisiä vaikutuksia, Wright sanoo.,

”on harhaluulo, että jos altistuu tietylle kemikaalille, on kohtalona saada vaurioituneet aivot”, hän sanoo. ”Epäsuotuisat tulokset eivät suinkaan ole kohtaloa. Positiiviset vaikutukset voivat muuttaa aivoja.”