Μια ανάλυση σχεδόν 50.000 σαρώσεων εγκεφάλου που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature Medicine αποκάλυψε 5 διαφορετικά μοτίβα εγκεφαλικής ατροφίας που σχετίζονται με τη γήρανση και τον νευροεκφυλισμό, μετά από τα 50 έτη. Η ανάλυση διασυνδέει επίσης αυτά τα μοτίβα με τον τρόπο ζωής (κάπνισμα ή κατανάλωση αλκοόλ) καθώς και με γενετικούς και αιματολογικούς δείκτες που αποτυπώνουν την κατάσταση της υγείας, αλλά και τον κίνδυνο της ασθένειας.
Η γήρανση δεν γκριζάρει μόνο τα μαλλιά, αλλά αλλάζει και την ανατομία του εγκεφάλου. Αυτές οι αλλαγές είναι ορατές στις σαρώσεις μαγνητικής τομογραφίας (MRI), οι οποίες δείχνουν ορισμένες περιοχές να συρρικνώνονται ή να υφίστανται δομικές αλλοιώσεις με την πάροδο του χρόνου. «Όμως αυτές οι μεταμορφώσεις είναι πολύ λεπτές. Το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να αντιληφθεί πρότυπα συστηματικών εγκεφαλικών αλλαγών που σχετίζονται με αυτή την γνωστική έκπτωση», σχολιάζει ο Έλληνας καθηγητής Ακτινολογίας, Πληροφορικής και Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Συστημάτων στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στη Φιλαδέλφεια και συν-συγγραφέας της μελέτης, Χρήστος Νταβατζίκος.
Ο Έλληνας επιστήμονας ηγείται του κέντρου Βιοϊατρικής Επεξεργασίας Εικόνας και Ανάλυσης στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, όπου η έρευνα εστιάζει στην ανάλυση ιατρικής εικόνας και στην επεξεργασία της με τη χρήση προηγμένων υπολογιστικών και αναλυτικών εφαρμογών, ώστε να ενσωματωθούν οι ληφθείσες πληροφορίες σε διαγνωστικά και προγνωστικά ‘εργαλεία’ στο πλαίσιο της εξατομικευμένης ιατρικής.
Σύμφωνα με τον ίδιο, προηγούμενες μελέτες που υπέδειξαν ότι οι μέθοδοι μηχανικής μάθησης μπορούν να ανιχνεύσουν τα «δακτυλικά» αποτυπώματα της γήρανσης σε δεδομένα MRI, ήταν συχνά περιορισμένες σε εύρος και οι περισσότερες στηρίχτηκαν σε δεδομένα από σχετικά μικρό δείγμα ατόμων.
Σαρώνοντας 50.000 εγκεφάλους…
Η ομάδα του Δρα Νταβατζίκου ξεκίνησε τη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Medicine πριν από περίπου 8 χρόνια χρησιμοποιώντας μια μέθοδο βαθιάς μάθησης που ονομάζεται Surreal-GAN, η οποία αναπτύχθηκε από τον ερευνητή Zhijian Yang όταν ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Νταβατζίκου. Οι επιστήμονες εκπαίδευσαν τον αλγόριθμο σε μαγνητικές τομογραφίες εγκεφάλου από 1.150 υγιή άτομα ηλικίας μεταξύ 20 και 49 ετών και από 8.992 ηλικιωμένους, συμπεριλαμβανομένων πολλών που παρουσίαζαν γνωστική έκπτωση, ώστε να μπορεί να αναγνωρίζει συστηματικές/ταυτόχρονες αλλοιώσεις ενός γερασμένου εγκεφάλου. Με άλλα λόγια οι σαρώσεις δίδαξαν στον αλγόριθμο πως δείχνουν οι εγκέφαλοι καθώς γερνάνε.
Ο αλγόριθμος παρήγε ένα μοντέλο ανατομικών δομών που τείνουν να αλλάζουν ταυτόχρονα σε σχέση με εκείνες που τείνουν να αλλάζουν ανεξάρτητα. Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν αυτό το μοντέλο σε μαγνητικές τομογραφίες 50.000 σχεδόν συμμετεχόντων/συμμετεχουσών σε ποικίλες προηγούμενες μελέτες για τη γήρανση και τη νευρολογική υγεία και έλαβαν 5 διακριτά μοτίβα εγκεφαλικής ατροφίας. Οι επιστήμονες διασύνδεσαν αυτά τα 5 μοτίβα με διάφορους τύπους εκφυλισμού του εγκεφάλου που σχετίζεται με την ηλικία. Για παράδειγμα, η άνοια και η ήπια γνωστική εξασθένηση με χαρακτηριστικά που παρατηρούνται συνήθως στην νόσο του Αλτσχάιμερ διασυνδέθηκαν κυρίως με 2 από τα 5 μοτίβα.
«Τα μοτίβα που εντοπίσαμε θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για να αποκαλύψουν την πιθανότητα εμφάνισης μεγαλύτερου εκφυλισμού του εγκεφάλου στο μέλλον, άλλα μοτίβα διασυνδέθηκαν με καταστάσεις όπως η νόσος του Πάρκινσον και του Αλτσχάιμερ, ενώ ένας συνδυασμός 3 μοτίβων ήταν εξαιρετικά προγνωστικός για θνησιμότητα, πιθανόν λόγω του συσχετισμού του με δείκτες καρδιαγγειακής και μεταβολικής υγείας», λέει ο καθηγητής.
Οι συγγραφείς βρήκαν σαφείς συσχετισμούς μεταξύ ορισμένων μοτίβων εγκεφαλικής ατροφίας και διαφόρων φυσιολογικών και περιβαλλοντικών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της πρόσληψης αλκοόλ και του καπνίσματος, καθώς και μεταξύ μοτίβων και διαφόρων γενετικών και βιοχημικών ‘υπογραφών’. Ο καθηγητής Νταβατζίκος λέει ότι αυτά τα αποτελέσματα πιθανώς αντανακλούν την επίδραση της συνολικής σωματικής ευεξίας στη νευρολογική υγεία, επειδή η βλάβη σε άλλα συστήματα οργάνων μπορεί να έχει συνέπειες και στον εγκέφαλο.
Ο ίδιος ωστόσο, διευκρινίζει ότι η μελέτη «δεν σημαίνει ότι όλα μπορούν να συνοψιστούν σε πέντε μοτίβα». Η ομάδα του προσπαθεί τώρα να εργαστεί με σύνολα δεδομένων που περιλαμβάνουν ένα ευρύτερο φάσμα νευρολογικών καταστάσεων και που χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη εθνοτική ποικιλομορφία. Επίσης, σε συνεργασία με το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (και συγκεκριμένα με την Καθηγήτρια Κ. Νικήτα και την διδακτορική φοιτήτρια Σκαμπαρδώνη), η ομάδα έχει επεκτείνει σημαντικά αυτή την έρευνα, χρησιμοποιώντας μεθόδους και δεδομένα από την πολύχρονη παρακολούθηση μερικών χιλιάδων ατόμων από αυτά που συμμετείχαν στην τρέχουσα μελέτη.
Ανακαλύπτοντας έναν τύπο σχιζοφρένειας
Δεν είναι όμως η πρώτη φορά που ο καθηγητής Νταβατζίκος και η ομάδα του «ταράζουν» τα νερά στο ερευνητικό τους πεδίο. Πριν από τέσσερα χρόνια ανακάλυψαν πρώτοι δύο διακριτούς νευροανατομικούς υποτύπους σχιζοφρένειας μετά από ανάλυση σαρώσεων εγκεφάλου σε περισσότερους από 307 ασθενείς. Ο πρώτος υποτύπος παρουσίασε χαμηλότερους εκτεταμένους όγκους φαιάς ουσίας σε σύγκριση με υγιή άτομα, ενώ ο δεύτερος υποτύπος είχε όγκους φαιάς ουσίας σε μεγάλο βαθμό παρόμοιους με των φυσιολογικών εγκεφάλων.
Μέχρι τώρα, οι προσπάθειες μελέτης της νόσου, συγκρίνοντας υγιείς με ασθενείς εγκεφάλους δεν εξηγούσαν αυτή την ετερογένεια, η οποία, όπως λέει ο Νταβατζίκος, «μπερδεύει τα ερευνητικά ευρήματα και υπονομεύει την κλινική φροντίδα». Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στα περιοδικά Brain και American Journal of Psychiatry, υπέδειξαν ότι, αυτές οι διαφορές στον εγκέφαλο θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στην επιλογή πιο εξατομικευμένων θεραπειών.
Η σχιζοφρένεια είναι μια σύνθετη νευρολογική πάθηση που χαρακτηρίζεται από αποδιοργανωμένη σκέψη, δυσκολία συγκέντρωσης, ψευδαισθήσεις και αυταπάτες και που επηρεάζει έως και το 1% των ανθρώπων παγκοσμίως. Η αιτία και οι μηχανισμοί της σχιζοφρένειας, μέχρι στιγμής δεν είναι πλήρως κατανοητοί.
Η ομάδα του Νταβατζίκου χρησιμοποίησε ένα μεγάλο και ποικίλο δείγμα εθελοντών/εθελοντριών από τρεις ηπείρους και σε συνεργασία με ερευνητές στη Γερμανία, την Ιταλία και το Ηνωμένο Βασίλειο, ανέλυσε τις σαρώσεις εγκεφάλου τους χρησιμοποιώντας μια μέθοδο μηχανικής μάθησης που ανέπτυξε η ίδια με την ονομασία HYDRA (Heterogeneity Through Discriminative Analysis). Αυτή η προσέγγιση βοηθά στον εντοπισμό «πραγματικών υποτύπων ασθενειών» περιορίζοντας την επίδραση μεταβλητών που προκαλούν σύγχυση των αποτελεσμάτων, όπως είναι η ηλικία, το φύλο, τα πρωτόκολλα απεικόνισης και άλλοι παράγοντες.
«Πολλές άλλες μελέτες έχουν δείξει ότι τα άτομα με σχιζοφρένεια έχουν σημαντικά μικρότερο όγκο εγκεφαλικού ιστού από τους υγιείς. Ωστόσο, για το 1/3 τουλάχιστον των ασθενών που εξετάσαμε, αυτό δεν ίσχυε. Οι εγκέφαλοί τους ήταν σχεδόν εντελώς φυσιολογικοί», λέει ο Δρ Νταβατζίκος. «Στο μέλλον, δεν θα λέμε ότι: “αυτός ο ασθενής έχει σχιζοφρένεια”, αλλά ότι “αυτός ο ασθενής έχει αυτόν τον υποτύπο” ή “αυτό το μη φυσιολογικό μοτίβο”. Δεν θα τους τοποθετούμε όλους κάτω από την ίδια ομπρέλα».
Ένα από τα ευρήματα που πιθανόν ήταν ιδιαίτερα απρόσμενο είναι πως τα χαρακτηριστικά του εγκεφάλου που αναγνωρίστηκαν στους ασθενείς με σχιζοφρένεια εντοπίστηκαν, σε μικρότερο βαθμό, και σε κάποια άτομα που συμμετείχαν στην μεγάλη μελέτη του UK Biobank, τα οποία δεν είχαν διαγνωστεί με τη νόσο. «Αυτά τα άτομα μάλιστα, παρουσίαζαν και αυξημένο γενετικό ρίσκο για σχιζοφρένεια, με βάση γονιδιώματα εθελοντών/ντριών που συσχετίστηκαν σε διάφορες προηγούμενες μελέτες με την νόσο. Αυτά τα ευρήματα δείχνουν πως πιθανόν να υπάρχουν κάποια εγκεφαλικά χαρακτηριστικά που κάνουν κάποια άτομα επιρρεπή στη νόσο, αλλά χωρίς τελικά να την αναπτύσσουν. Πρώιμη διάγνωση και υποστηρικτικές παρεμβάσεις, όπως αλλαγή στον τρόπο ζωής, ίσως θα μπορούσαν να βοηθήσουν ορισμένα άτομα να αποφύγουν την ανάπτυξη κλινικών συμπτωμάτων», σημειώνει ο Έλληνας επιστήμονας.
Ρίχνοντας φως στον τρόπο που αλλάζει ο εγκέφαλος στην εφηβεία
Ακόμη πιο πίσω, το 2017, ο καθηγητής Νταβατζίκος και οι συνεργάτες του αναρωτήθηκαν τι να συμβαίνει στον αναπτυσσόμενο εφηβικό εγκέφαλο από δομικής και λειτουργικής πλευράς. Αυτή τους η ανησυχία τους οδήγησε στη μελέτη των εγκεφάλων 934 παιδιών και νέων ηλικίας 8 έως 22 ετών για να δουν πώς η αναδιοργάνωση του φλοιού του εφηβικού εγκεφάλου επηρεάζει τις σκέψεις, τις αποφάσεις, τα κίνητρα, τα συναισθήματα και τη συμπεριφορά των εφήβων.
Πολλές προηγούμενες μελέτες είχαν εξετάσει την δομή και τη λειτουργία του εγκεφάλου, αλλά υπήρχε ένα χάσμα μεταξύ των μελετών απεικόνισης του εγκεφάλου και των βιολογικών διεργασιών που οδηγούν την ανάπτυξη των εγκεφαλικών δικτύων. Η ομάδα του καθηγητή Νταβατζίκου χρησιμοποίησε πολύπλοκα δεδομένα που διαφορετικά θα ήταν δύσκολο να κατανοηθούν και τα σύνθεσε σε έναν περιορισμένο αριθμό αναπτυσσόμενων δομικών δικτύων εγκεφάλου, 18 συνολικά.
Για να αναλύσει ταυτόχρονα πολύπλοκα πρότυπα δομής του εγκεφάλου και να εντοπίσει μοτίβα ανάπτυξης στην εφηβεία, η ομάδα χρησιμοποίησε μια εξελιγμένη τεχνική που ονομάζεται παραγοντοποίηση μη αρνητικών πινάκων (nonnegative matrix factorization, NMF). Σε αντίθεση με προηγούμενες αναπαραστάσεις του εγκεφάλου που βασίζονταν σε μοτίβα αυλάκων και ελίκων στον εγκεφαλικό φλοιό, η ομάδα εστίασε στο πώς αλλάζουν τα δομικά δίκτυα με συντονισμένο τρόπο.
Αυτή η προσέγγιση αποκάλυψε ένα σύνολο δομικών εγκεφαλικών δικτύων που έχουν σαφή λειτουργική και εξελικτική σημασία. Πράγματι, ο βαθμός στον οποίο αλλάζουν αυτά τα δομικά δίκτυα στην εφηβεία σχετίζεται με τον ρυθμό εξέλιξης του εγκεφάλου ενός πρωτεύοντος, όπως αυτός υπολογίζεται από την επέκταση των περιοχών του φλοιού.
Η μελέτη, που παρείχε μια πιο δυναμική και σφαιρική εικόνα του εφηβικού εγκεφάλου σε σχέση με τις έως τότε τοπικές και στατικές απεικονίσεις και άνοιξε νέους δρόμους για την καλύτερη κατανόηση διαφόρων ψυχιατρικών διαταραχών, οι οποίες μπορεί να έχουν τις ρίζες τους στην εφηβεία.
credits: Penn Medicine
Λίγα λόγια για τον καθηγητή Χρήστο Νταβατζίκο
Ο καθηγητής ολοκλήρωσε τις σπουδές του στην σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου το 1989 και εκπόνησε τη διδακτορική του διατριβή στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του πανεπιστημίου Τζονς Χόπκινς στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα επικεντρώνονται στην αυτόματη ανάλυση και ερμηνεία βιοϊατρικών πολυδιάστατων δεδομένων. Επιβλέπει ένα ποικίλο ερευνητικό πρόγραμμα που ξεκινά από βασικά προβλήματα ανάλυσης απεικονιστικών προτύπων και μηχανικής μάθησης και φτάνει σε ποικίλες κλινικές μελέτες για τη γήρανση και τη νόσο του Αλτσχάιμερ, τη σχιζοφρένεια, τον καρκίνο του εγκεφάλου και την εγκεφαλική ανάπτυξη. Από το 2002 εργάζεται ως καθηγητής στο τμήμα Ακτινολογίας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια.
Ο Χρήστος Νταβατζίκος είναι υπότροφος του Ιδρύματος Fulbright και του Johns Hopkins και αποδέκτης του βραβείο Καλύτερου Εκδότη από το επιστημονικό περιοδικό Journal of Computer Assisted Tomography. Έχει δημοσιεύσει πολλά άρθρα σε περιοδικά όπως στο Computer Assisted Surgical Society, στο Organization for Human Brain Mapping, στο Engineering in Medicine and Biology Society κ. ά. Τον περασμένο Μάιο, μαζί με την καθηγήτρια Κ. Νικήτα από το ΕΜΠ συνδιοργάνωσαν στην Αθήνα το International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI 2024), που είναι ένα από τα μεγαλύτερη διεθνή συνέδρια στην Ιατρική Απεικόνιση.
