Человеческий мозг хранит множество подсказок о долгосрочном здоровье человека - фактически, исследования показывают, что возраст мозга человека является более полезным и точным предсказателем рисков для здоровья и будущих заболеваний, чем дата его рождения. Теперь новая модель искусственного интеллекта (ИИ), анализирующая магнитно-резонансную томографию (МРТ) мозга, разработанная исследователями Университета Южной Калифорнии, может быть использована для точного определения снижения когнитивных способностей, связанных с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, гораздо раньше, чем предыдущие методы.

Старение мозга считается надежным биомаркером риска развития нейродегенеративных заболеваний. Такой риск повышается, если мозг человека демонстрирует признаки, которые кажутся "более старыми", чем ожидается для человека данного возраста. Используя возможности глубокого обучения новой модели искусственного интеллекта для анализа сканов, исследователи могут обнаружить тонкие маркеры анатомии мозга, которые иначе очень трудно обнаружить и которые коррелируют со снижением когнитивных способностей. Их результаты, опубликованные во вторник, 2 января, в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, дают беспрецедентный взгляд на человеческое познание.

"Наше исследование использует возможности глубокого обучения для выявления областей мозга, которые стареют таким образом, что это отражает снижение когнитивных способностей, которое может привести к болезни Альцгеймера", - сказал Андрей Иримия, доцент геронтологии, биомедицинской инженерии, количественной и вычислительной биологии и нейронауки в Школе геронтологии Леонарда Дэвиса при Университете Южной Калифорнии и автор-корреспондент исследования.

"Люди стареют с разной скоростью, как и типы тканей в организме. Мы знаем об этом в разговорной речи, когда говорим: "Такому-то и такому-то сорок, а выглядит он на тридцать". Та же идея применима и к мозгу. Мозг сорокалетнего человека может выглядеть так же "молодо", как мозг тридцатилетнего, или так же "старо", как мозг шестидесятилетнего".

Более точная альтернатива существующим методам

Иримия и его команда собрали данные МРТ головного мозга 4 681 когнитивно нормального участника, у некоторых из которых впоследствии развилось снижение когнитивных способностей или болезнь Альцгеймера.

Используя эти данные, они создали модель искусственного интеллекта под названием нейронная сеть для предсказания возраста участников по их МРТ головного мозга. Сначала исследователи обучили сеть составлять подробные анатомические карты мозга, которые выявляют специфические закономерности старения. Затем они сравнили предполагаемый (биологический) возраст мозга с реальным (хронологическим) возрастом участников исследования. Чем больше была разница между ними, тем хуже были когнитивные показатели участников, которые отражают риск развития болезни Альцгеймера.

Результаты показывают, что модель команды может предсказать истинный (хронологический) возраст когнитивно нормальных участников со средней абсолютной ошибкой в 2,3 года, что примерно на год точнее, чем существующая, отмеченная наградами модель для оценки возраста мозга, которая использовала другую архитектуру нейронной сети.

"Интерпретируемый ИИ может стать мощным инструментом для оценки риска развития болезни Альцгеймера и других нейрокогнитивных заболеваний", - говорит Иримия, который также занимает должности преподавателя в Инженерной школе Витерби при Университете Южной Калифорнии и Дорнсайфском колледже литературы, искусств и наук при Университете Южной Калифорнии. Чем раньше мы сможем выявить людей с высоким риском развития болезни Альцгеймера, тем раньше клиницисты смогут вмешаться в ситуацию, предложив варианты лечения, мониторинга и управления заболеванием". Что делает ИИ особенно мощным, так это его способность улавливать тонкие и сложные особенности старения, которые недоступны другим методам и которые являются ключевыми в определении риска для человека за много лет до развития заболевания".

Мозг стареет по-разному в зависимости от пола

Новая модель также выявляет половые различия в том, как старение варьируется в разных областях мозга. Некоторые участки мозга у мужчин стареют быстрее, чем у женщин, и наоборот.

У мужчин, которые подвержены более высокому риску двигательных нарушений из-за болезни Паркинсона, быстрее стареет моторная кора мозга - область, отвечающая за двигательные функции. Результаты также показывают, что у женщин типичное старение может происходить относительно медленнее в правом полушарии мозга.

Развивающаяся область исследований открывает перспективы для персонализированной медицины

Применение этой работы выходит далеко за рамки оценки риска заболеваний. Иримия представляет себе мир, в котором новые методы глубокого обучения, разработанные в рамках исследования, будут использоваться для того, чтобы помочь людям понять, насколько быстро они стареют в целом.

"Одно из самых важных применений нашей работы - это возможность проложить путь к индивидуальным вмешательствам, учитывающим уникальные особенности старения каждого человека", - говорит Иримия.

"Многим людям было бы интересно узнать истинную скорость своего старения. Эта информация может дать нам подсказку о различных изменениях образа жизни или вмешательствах, которые человек может предпринять для улучшения общего состояния здоровья и благополучия. Наши методы могут быть использованы для разработки планов лечения, ориентированных на пациента, и персонализированных карт старения мозга, которые могут быть интересны людям с различными потребностями и целями".

Авторами исследования являются Фиби Имс, Анар Амгалан, Нахиан Ф. Чоудхури, Рой Дж. Массетт и Нихил Н. Чаудхари из Школы геронтологии Леонарда Дэвиса при Университете Южной Калифорнии; Ченчжун Инь, Мингси Ченг, Синге Чен, Пол М. Томпсон и Пол Богдан из Инженерной школы Витерби при Университете Южной Калифорнии; а также коллеги из Инициативы по нейровизуализации болезни Альцгеймера.