Jakou oblastí mozku se ve své práci zabýváte?

Mapujeme struktury mozku z hlediska propojení jednotlivých oblastí šedé hmoty. Proto se soustřeďujeme především na výzkum hmoty bílé, která jednotlivé oblasti té šedé propojuje. Šedá hmota, kterou tvoří převážně těla nervových buněk (neuronů), pokrývá jako mozková kůra povrch velkého mozku a vytváří jádra uložená uvnitř dalších oddílů mozku. Bílou hmotu pak tvoří výběžky nervových buněk (axony). Obsahuje nervová vlákna, která spolu tvoří komunikační síť mozku propojující jednotlivé mozkové oblasti.

Bílou hmotu si tedy můžeme představit jako nějakou přenosovou soustavu, po které v mozku proudí informace?

Ano, na mozek lze nahlížet jako na síť vzájemně propojených oblastí a nás zajímá strukturální charakter této sítě. Proto mluvíme o strukturální konektivitě. Hlavní otázkou je role, kterou strukturální konektivita hraje při utváření dynamiky mozkové aktivity, a zejména její vztah k vzorci statistických závislostí mezi funkční aktivitou mozkových oblastí, takzvané funkční konektivitě. Tyto informace jsou cenné například pro neurologii nebo psychiatrii.

K čemu konkrétně mohou tyto poznatky ve zmíněných oborech sloužit?

Data o strukturální konektivitě mozku se využívají nejen k modelování funkční konektivity zdravého mozku, ale stále častěji také k modelování dynamiky mozkových onemocnění včetně epilepsie. My se v posledních pěti letech zaměřili na zdravou populaci a koncem loňského léta publikovali soubor dat obsahující matice strukturální konektivity mozku 88 zdravých jedinců spolu s podkladovými surovými difuzními a strukturálními daty a také základními demografickými údaji těchto lidí.

V čem je tento soubor unikátní a k čemu se bude využívat?

Poskytli jsme už zpracované matice konektivity připravené k okamžitému využití, kterých není k dispozici mnoho. Často jsou totiž sdílena pouze nezpracovaná data a tvorba matic strukturální konektivity z nezpracovaných dat přestavuje zdlouhavý a náročný proces, což může být pro výzkumníky s menšími zkušenostmi v této oblasti odrazující. Výjimečnost našeho souboru spočívá také v počtu subjektů, které jsme v něm zmapovali. Jedná se opravdu o velký vzorek, který standardní výzkumná pracoviště obvykle nemívají k dispozici.

Výsledkem naší práce je obsáhlý soubor dat představující konektivitu mezi 90 kortikálními oblastmi zájmu, který jsme nabídli ve formě připravené pro modelování a analýzu k další práci široké vědecké obci napříč obory. Věříme, že to bude přínosné pro ty, kteří se zabývají strukturou bílé hmoty k matematickému modelování, pro porovnávání dat zdravé části populace s daty nemocných lidí a mnohým dalším výzkumným aktivitám. Využijí to nejen kolegové v Česku nebo ve světě, ale můžeme s tím dál pracovat i my v NUDZ. Důležitou součástí naší práce je také metodika. V článku představujeme, jak jsme postupovali při získávání a zpracovávání dat, popisujeme jejich validaci a prezentujeme, že způsobem jakým jsme postupovali, dokážeme získat dostatečně kvalitní data pro další využití.

Proto jsou tedy veškerá data volně přístupná?

Díky sdílení dat můžeme přispět k dalším objevům a pomoci urychlit tempo výzkumu. Modelování funkční konektivity mozku je skutečně slibně se rozvíjející oblast výzkumu, která si vyžaduje využití veřejně sdílených dat na úrovni přístupné datovým vědcům a obecně výzkumníkům napříč obory.

Uvedl jste, že jde o náročnou disciplínu. Jak se vlastně taková matice vytváří?

Využíváme k tomu magnetickou rezonanci. Studium lidského mozku pomocí MRI se stalo jedním z hlavních směrů současné neurovědy, protože k odhadu interakce mezi libovolnými dvěma oblastmi mozku poskytuje několik různých obecných nástrojů. Z časových řad mozkové aktivity naměřených například pomocí funkční magnetické rezonance dokážeme odhadnout funkční konektivitu, tedy statistickou závislost aktivity vzdálených oblastí, nebo se dokonce pokusit odhadnout efektivní konektivitu, čili přímý vliv, kterým jedna oblast mozku působí na druhou. Zpracováním výsledků traktografie do větších anatomických celků dokážeme vyvodit závěry o strukturálních vztazích mezi těmito částmi systému.

Strukturální konektivita se obvykle získává zpracováním dat difuzně vážené magnetické rezonance - DW-MRI nebo DWI. Klíčovým principem je, že obraz každého objemového prvku, odborně zvaného voxel, je získán vícekrát, přičemž každý ze snímků je citlivý na difuzi podél určité prostorové osy. Z takového souboru snímků lze odhadnout prostorový profil preferovaných směrů difuze. Tento odhad umožňuje odvodit pravděpodobný směr vláken bílé hmoty v daném voxelu. Matematickými prostředky se tato informace prostorově propojuje a vytvoří se tak statistický prostorový odhad  drah bílé hmoty spojujících různé části mozku. Výsledný odhad neboli traktogram může poskytnout podrobnou vizualizaci pravděpodobných strukturálních spojení v mozku a také kvantitativní informace o přítomnosti a množství strukturálních spojení mezi libovolnou předem definovanou sadou oblastí šedé hmoty mozku, tedy matici strukturální konektivity.

Budete na tuto fázi výzkumu vy sami nějak navazovat?

Snažíme se samozřejmě získané informace využít. Spolupracujeme s několika skupinami zaměřených na modelaci mozku. A také se nabízí připravit novější a kvalitnější data set. Jedna kapitola skončila, ale na druhé už pracujeme.