Surreal-GAN раскрывает неоднородность старения мозга с помощью подхода размерного представления
Анализ почти 50.000 сканирований мозга выявил пять различных моделей его атрофии, который оказались связаны со старением и нейродегенеративными заболеваниями, а также с некоторыми факторами образа жизни, генетическими и лабораторными биомаркерами
Более того, эти модели позволяют предсказывать риски развития тех или иных заболеваний по данным МРТ
Масштабная работа, охватившая большую и разнородную популяционную выборку, опубликована в журнале Nature Medicine
Surreal-GAN раскрывает неоднородность старения мозга с помощью подхода размерного представления
Сравнение популяций до 50 и после 50 лет дает четкое распределение паттернов («рисунков») старения на 5 групп
Credit: Yang, Z., etal. / Nature Medicine 2024
С течением жизни наш мозг деградирует и уменьшается в размерах
Этот процесс носит совершенно обычный характер, но иногда нормальное старение по разным причинам превращается в патологическое, которое происходит быстрее, чем характерно для возраста, и в иных областях мозга, чем при стандартных возрастных изменениях
Эти изменения в анатомии мозга можно регистрировать на магнитно-резонансной томографии (МРТ), но они едва заметны – человеческий глаз не способен воспринимать закономерности систематических изменений мозга
Все шкалы оценки таких изменений, которые существуют сегодня, носят качественный и очень субъективный характер
Однако точная количественная характеристика старения мозга, которую бы удалось связать с индивидуальными данными каждого пациента, позволила бы поднять раннюю диагностику возрастных неврологических заболеваний на иной, более высокий уровень
Исследования говорят о том, что методы машинного обучения могут извлекать тонкие «рисунки» или паттерны старения из данных МРТ
Но эти работы часто ограничены по охвату и включают данные относительно небольшого числа людей
Хотя не так давно международная группа ученых смогла создать довольно точные «карты деградации мозга» — инструмент для стандартизированной оценки его развития и старения
Но чтобы выявить некоторые широкие закономерности между процессами, происходящими в нейроанатомии с возрастом, и заболеваниями, образом жизни, лабораторными и генетическими биомаркерами, команде исследователей потребовалось около восьми лет
И для этого они разработали метод глубокого обучения Surreal-GAN (Semi-SUpeRvised ReprEsentAtion Learning via GAN)
Авторы обучили алгоритм на МРТ мозга 1.150 здоровых людей в возрасте от 20 до 49 лет и 8992 людей старше 50 лет, у многих из которых имелось снижение когнитивных способностей в разной степени
Это позволило алгоритму распознавать повторяющиеся особенности стареющего мозга и создать некоторую внутреннюю модель анатомических структур, которые имеют тенденцию меняться одновременно, в отличие от тех, которые изменяются независимо
Затем ученые применили полученную модель к МРТ почти 50.000 человек, участвовавших в различных исследованиях старения и неврологического здоровья (11 исследований консорциума iSTAGING)
Этот анализ дал пять дискретных паттернов атрофии мозга (R-индексов), с которыми ученые связали различные типы возрастной дегенерации мозга
R1 характеризовал по большей части подкорковую атрофию (хвостатое ядро и скорлупа), R2 – очаговую медиальную атрофию височной доли, R3 – теменно-височную атрофию, R4 – распространенную атрофию коры в медиальных и латеральных лобных областях, а также в верхних теменных и затылочных областях
R5 был связан с атрофией, сосредоточенной вокруг островковой коры
Все эти типы хорошо коррелировали с возрастом, особенно R5. Кроме того, атрофия по всем паттернам сильнее наблюдалась у мужчин и не была связана с уровнем образования
Связь между R-индексами и болезнями устанавливали, объединив участников исследования в 14 категорий заболеваний: легкие когнитивные нарушения и деменция, инсульт, рассеянный склероз, гипертония, диабет, депрессия, биполярное расстройство, шизофрения, болезнь Паркинсона, хроническая обструктивная болезнь легких, остеоартрит, хроническая болезнь почек, остеопороз и ишемическая болезнь сердца
Деменция и ее предшественник – легкое когнитивное нарушение, были связаны с тремя из пяти паттернов
Рассеянный склероз – с R3, R4 и R5
Шизофрения и болезнь Паркинсона – с R3 и R5. R5 в целом оказался больше связан с нервно-психическими заболеваниями, а также с группой хронических заболеваний других систем органов
Кроме того, паттерны потенциально можно использовать для выявления вероятностей дегенерации мозга в будущем
Предсказать прогрессирование от когнитивно нормального состояния до легкого когнитивного нарушения могут R2, R4 и R5, а на более поздних стадиях (от легких нарушений к деменции) будут более показательными R2, R3 и R5
Комбинация из трех паттернов R3, R4 и R5 достаточно сильно коррелировала с риском смертности
Авторы обнаружили четкие взаимосвязи между определенными моделями атрофии мозга и различными физиологическими и экологическими факторами, включая употребление алкоголя и курение (R3, R5), а также различными генетическими и биохимическими биомаркерами
Авторы считают, что эти результаты, вероятно, отражают влияние общего физического благополучия на неврологическое здоровье, поскольку повреждение других систем органов тоже может иметь последствия для мозга
Brain aging patterns in a large and diverse cohort of 49,482 individuals by Yang, Z., Wen, J., Erus, G. et al. in Nat Med