Quantos anos tem o seu cérebro, realmente? A análise baseada em IA reflete com precisão o risco de declínio cognitivo e doença de Alzheimer

O cérebro humano contém muitas pistas sobre a saúde de longo prazo de uma pessoa – na verdade, pesquisas mostram que a idade do cérebro de uma pessoa é um indicador mais útil e preciso de riscos à saúde e doenças futuras do que sua data de nascimento. Agora, um novo modelo de inteligência artificial (IA) que analisa imagens cerebrais de ressonância magnética (MRI) desenvolvido por pesquisadores da USC pode ser usado para capturar com precisão o declínio cognitivo associado a doenças neurodegenerativas como o mal de Alzheimer muito antes dos métodos anteriores.

O envelhecimento cerebral é considerado um biomarcador confiável para o risco de doenças neurodegenerativas. Tal risco aumenta quando a pessoa cérebro exibe características que parecem “mais velhas” do que o esperado para alguém da idade dessa pessoa. Ao aproveitar a capacidade de aprendizado profundo do novo modelo de IA da equipe para analisar as varreduras, os pesquisadores podem detectar marcadores sutis de anatomia cerebral que, de outra forma, seriam muito difíceis de detectar e que se correlacionam com declínio cognitivo. Suas descobertas, publicadas na terça-feira, 2 de janeiro, na revista Anais da Academia Nacional de Ciênciasoferecem um vislumbre sem precedentes da cognição humana.

“Nosso estudo aproveita o poder da aprendizagem profunda para identificar áreas do cérebro que estão envelhecendo de maneiras que refletem um declínio cognitivo que pode levar à doença de Alzheimer”, disse Andrei Irimia, professor assistente de gerontologia, Engenharia Biomédicaquantitativo & biologia Computacional e neurociência na USC Leonard Davis School of Gerontology e autor correspondente do estudo.

“As pessoas envelhecem em ritmos diferentes, assim como os tipos de tecidos do corpo. Sabemos disso coloquialmente quando dizemos: ‘Fulano tem quarenta anos, mas parece ter trinta. A mesma ideia se aplica ao cérebro. O cérebro de um quarenta Uma pessoa de 3 anos pode parecer tão ‘jovem’ quanto o cérebro de alguém de 30 anos, ou pode parecer tão ‘velho’ quanto o de um homem de 60 anos.”

Uma alternativa mais precisa aos métodos existentes

Irimia e sua equipe compararam as ressonâncias magnéticas do cérebro de 4.681 participantes cognitivamente normais, alguns dos quais desenvolveram declínio cognitivo ou doença de Alzheimer mais tarde na vida.

Usando esses dados, eles criaram um modelo de IA chamado rede neural para prever as idades dos participantes a partir de suas ressonâncias magnéticas cerebrais. Primeiro, os pesquisadores treinaram a rede para produzir mapas cerebrais anatômicos detalhados que revelam padrões específicos de envelhecimento. Eles então compararam as idades cerebrais percebidas (biológicas) com as idades reais (cronológicas) dos participantes do estudo. Quanto maior a diferença entre os dois, piores os escores cognitivos dos participantes, que refletem o risco de Alzheimer

Os resultados mostram que o modelo da equipe pode prever as verdadeiras idades (cronológicas) de participantes cognitivamente normais com um erro absoluto médio de 2,3 anos, que é cerca de um ano mais preciso do que um modelo premiado existente para estimativa de idade cerebral que usou um diferentes arquiteturas de redes neurais.

“A IA interpretável pode se tornar uma ferramenta poderosa para avaliar o risco de Alzheimer e outras doenças neurocognitivas”, disse Irimia, que também ocupa cargos de docente na Escola de Engenharia USC Viterbi e na Faculdade de Letras, Artes e Ciências USC Dornsife. “Quanto mais cedo pudermos identificar pessoas com alto risco de doença de Alzheimer, mais cedo os médicos poderão intervir com opções de tratamento, monitoramento e gerenciamento de doenças. O que torna a IA especialmente poderosa é sua capacidade de captar características sutis e complexas do envelhecimento que outros métodos não pode e que são fundamentais para identificar o risco de uma pessoa muitos anos antes de desenvolver a doença.”

Cérebros envelhecem de forma diferente de acordo com o sexo

O novo modelo também revela diferenças específicas de sexo em como o envelhecimento varia entre as regiões do cérebro. Certas partes do cérebro envelhecem mais rápido nos homens do que nas mulheres, e vice-versa.

Os homens, que correm maior risco de comprometimento motor devido à doença de Parkinson, experimentam um envelhecimento mais rápido no córtex motor do cérebro, uma área responsável pela função motora. Os resultados também mostram que, entre as mulheres, o envelhecimento típico pode ser relativamente mais lento no hemisfério direito do cérebro.

Um campo de estudo emergente mostra-se promissor para a medicina personalizada

As aplicações deste trabalho vão muito além da avaliação do risco de doenças. Irimia prevê um mundo em que os novos métodos de aprendizado profundo desenvolvidos como parte do estudo são usados ​​para ajudar as pessoas a entender o quão rápido estão envelhecendo em geral.

“Uma das aplicações mais importantes do nosso trabalho é seu potencial para abrir caminho para intervenções personalizadas que abordam os padrões únicos de envelhecimento de cada indivíduo”, disse Irimia.

“Muitas pessoas estariam interessadas em saber sua verdadeira taxa de envelhecimento. As informações podem nos dar dicas sobre diferentes mudanças de estilo de vida ou intervenções que uma pessoa pode adotar para melhorar sua saúde e bem-estar geral. Nossos métodos podem ser usados ​​para projetar pacientes planos de tratamento centrados e mapas personalizados de envelhecimento cerebral que podem ser de interesse para pessoas com diferentes necessidades e objetivos de saúde.”

Os autores do estudo incluem Phoebe Imms, Anar Amgalan, Nahian F. Chowdhury, Roy J. Massett e Nikhil N. Chaudhari da USC Leonard Davis School of Gerontology; e Chenzhong Yin, Mingxi Cheng, Xinghe Chen, Paul M. Thompson e Paul Bogdan da USC Viterbi School of Engineering; e colegas da Iniciativa de Neuroimagem da Doença de Alzheimer.