Το «Λειτουργικό Δακτυλικό Αποτύπωμα» μπορεί να αναγνωρίσει τους εγκεφάλους σε μια ζωή
Η Michaela Cordova, επιστημονική συνεργάτις και υπεύθυνη εργαστηρίου στο Πανεπιστήμιο Υγείας και Επιστήμης του Όρεγκον, ξεκινά με την «απομεταλλοποίηση»:αφαιρώντας δαχτυλίδια, ρολόγια, gadget και άλλες πηγές μετάλλου, ελέγχοντας διπλά τις τσέπες της για αντικείμενα που παραβλέπονται που θα μπορούσαν, κατά τα λόγια της. , «πετάξτε μέσα». Στη συνέχεια, μπαίνει στην αίθουσα σάρωσης, ανεβοκατεβάζει το κρεβάτι και κουνάει ένα πηνίο κεφαλής προς τη γενική κατεύθυνση του παραθύρου προβολής και της κάμερας του iPad που επιτρέπει αυτήν την εικονική περιήγηση στο εργαστήριο (παρακολουθώ από χιλιάδες μίλια μακριά στη Μασαχουσέτη). Η φωνή της παραμορφώνεται ελαφρώς από το μικρόφωνο που είναι ενσωματωμένο στον σαρωτή μαγνητικής τομογραφίας, που από την ελαφρώς θολή πλεονεκτική θέση μου μοιάζει λιγότερο με βιομηχανικό κανόλι παρά με θηρίο με λαμπερό μπλε στόμα. Δεν μπορώ παρά να σκεφτώ ότι αυτή η απόκοσμη περιγραφή μπορεί να έχει απήχηση στη συνηθισμένη πελατεία της.
Η Cordova δουλεύει με παιδιά, καταπραΰνει τους φόβους τους, μειώνοντάς τα μέσα και έξω από το σαρωτή, ενώ τα ενθαρρύνει με απαλά λόγια, ταινίες Pixar και υποσχέσεις για σνακ για να ελαχιστοποιηθεί το κούνημα. Αυτά τα παιδιά έχουν εγγραφεί σε έρευνα που στοχεύει στη χαρτογράφηση των νευρικών συνδέσεων του εγκεφάλου.
Οι φυσικοί δεσμοί μεταξύ των περιοχών του εγκεφάλου, γνωστοί συλλογικά ως «connectome», αποτελούν μέρος αυτού που διακρίνει τους ανθρώπους γνωστικά από άλλα είδη. Μας διαφοροποιούν όμως και ο ένας από τον άλλο. Οι επιστήμονες συνδυάζουν τώρα προσεγγίσεις νευροαπεικόνισης με μηχανική μάθηση για να κατανοήσουν τα κοινά σημεία και τις διαφορές στη δομή και τη λειτουργία του εγκεφάλου μεταξύ των ατόμων, με στόχο να προβλέψουν πώς ένας δεδομένος εγκέφαλος θα αλλάξει με την πάροδο του χρόνου λόγω γενετικών και περιβαλλοντικών επιρροών.
Το εργαστήριο όπου εργάζεται η Cordova, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Damien Fair, ασχολείται με το λειτουργικό connectome, τον χάρτη των περιοχών του εγκεφάλου που συντονίζονται για να εκτελούν συγκεκριμένες εργασίες και να επηρεάζουν τη συμπεριφορά. Το Fair έχει ένα ειδικό όνομα για τις ξεχωριστές νευρικές συνδέσεις ενός ατόμου:το λειτουργικό δακτυλικό αποτύπωμα. Όπως τα δακτυλικά αποτυπώματα στις άκρες των ψηφίων μας, ένα λειτουργικό δακτυλικό αποτύπωμα είναι συγκεκριμένο για τον καθένα μας και μπορεί να χρησιμεύσει ως μοναδικό αναγνωριστικό.
«Θα μπορούσα να πάρω ένα δακτυλικό αποτύπωμα από το πεντάχρονο παιδί μου και θα μπορούσα ακόμα να ξέρω ότι το δακτυλικό αποτύπωμα είναι δικό της όταν είναι 25 ετών», είπε ο Fair. Παρόλο που το δάχτυλό της μπορεί να γίνει μεγαλύτερο και να υποστεί άλλες αλλαγές με την ηλικία και την εμπειρία, "ακόμα τα βασικά χαρακτηριστικά είναι όλα εκεί". Με τον ίδιο τρόπο, η εργασία από το εργαστήριο του Fair και άλλους υποδηλώνει ότι η ουσία της λειτουργικής σύνδεσης κάποιου μπορεί να είναι αναγνωρίσιμη και ότι οι κανονικές αλλαγές κατά τη διάρκεια μιας ζωής είναι σε μεγάλο βαθμό προβλέψιμες.
Η αναγνώριση, η παρακολούθηση και η μοντελοποίηση του λειτουργικού συνδέσμου θα μπορούσε να αποκαλύψει πώς οι υπογραφές του εγκεφάλου οδηγούν σε παραλλαγές στη συμπεριφορά και, σε ορισμένες περιπτώσεις, προσδίδουν υψηλότερο κίνδυνο ανάπτυξης ορισμένων νευροψυχιατρικών καταστάσεων. Για το σκοπό αυτό, ο Fair και η ομάδα του αναζητούν συστηματικά τα δεδομένα τους για μοτίβα συνδεσιμότητας του εγκεφάλου σε σαρώσεις, μελέτες και, τελικά, κλινικούς πληθυσμούς.
Χαρακτηρισμός του Connectome
Οι παραδοσιακές τεχνικές για τη χαρτογράφηση του λειτουργικού συνδέσμου εστιάζονται σε δύο μόνο περιοχές του εγκεφάλου κάθε φορά, χρησιμοποιώντας δεδομένα μαγνητικής τομογραφίας για να συσχετίσουν τον τρόπο με τον οποίο η δραστηριότητα του καθενός αλλάζει σε σχέση με την άλλη. Οι περιοχές του εγκεφάλου με σήματα που ποικίλλουν από κοινού βαθμολογούνται με 1. Εάν η μία αυξάνεται ενώ η άλλη μειώνεται, αυτό αξίζει -1. Εάν δεν υπάρχει παρατηρήσιμη σχέση μεταξύ των δύο, αυτό είναι 0.
Αυτή η προσέγγιση, ωστόσο, έχει περιορισμούς. Για παράδειγμα, εξετάζει αυτά τα ζεύγη περιοχών ανεξάρτητα από τον υπόλοιπο εγκέφαλο, παρόλο που το καθένα είναι πιθανό να επηρεάζεται επίσης από εισόδους από γειτονικές περιοχές και αυτές οι επιπλέον εισροές ενδέχεται να συγκαλύπτουν την πραγματική λειτουργική σύνδεση οποιουδήποτε ζεύγους. Η υπέρβαση τέτοιων υποθέσεων απαιτούσε την εξέταση της διασταυρούμενης συζήτησης σε ολόκληρο τον εγκέφαλο, όχι απλώς ενός υποσυνόλου, και την αποκάλυψη πιο διαδεδομένων, ενημερωτικών μοτίβων στη συνδεσιμότητα που διαφορετικά θα μπορούσαν να περάσουν απαρατήρητα.
Το 2010, ο Fair συνέγραψε μια εργασία στο Science που περιγράφεται με χρήση μηχανικής μάθησης και μαγνητικής τομογραφίας για να ληφθεί υπόψη κάθε ζεύγος συσχετισμών ταυτόχρονα, προκειμένου να εκτιμηθεί η ωριμότητα (ή η «ηλικία») ενός δεδομένου εγκεφάλου. Αν και αυτή η συνεργασία δεν ήταν η μόνη που ανέλυε μοτίβα σε πολλαπλές συνδέσεις ταυτόχρονα, προκάλεσε θόρυβο σε όλη την ερευνητική κοινότητα, επειδή ήταν η πρώτη που χρησιμοποίησε αυτά τα μοτίβα για να προβλέψει την ηλικία του εγκεφάλου ενός συγκεκριμένου ατόμου.
Τέσσερα χρόνια αργότερα, σε μια εργασία που επινόησε τη φράση «λειτουργικό δακτυλικό αποτύπωμα», η ομάδα του Fair επινόησε τη δική της μέθοδο χαρτογράφησης του λειτουργικού συνδέσμου και πρόβλεψης της δραστηριότητας μεμονωμένων περιοχών του εγκεφάλου με βάση τα σήματα που προέρχονται όχι από μία αλλά από όλες τις περιοχές σε συνδυασμό με το ένα το άλλο.
Στο απλό γραμμικό τους μοντέλο, η δραστηριότητα μιας μεμονωμένης περιοχής είναι ίση με τις αθροιστικές συνεισφορές όλων των άλλων περιοχών, καθεμία από τις οποίες σταθμίζεται, καθώς ορισμένες γραμμές επικοινωνίας μεταξύ περιοχών είναι ισχυρότερες από άλλες. Οι σχετικές συνεισφορές κάθε περιοχής είναι αυτές που κάνουν ένα λειτουργικό δακτυλικό αποτύπωμα μοναδικό. Οι ερευνητές χρειάστηκαν μόλις 2,5 λεπτά δεδομένων MRI υψηλής ποιότητας ανά συμμετέχοντα για να δημιουργήσουν το γραμμικό μοντέλο.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, περίπου το 30 τοις εκατό του συνδέσμου είναι μοναδικό για το άτομο. Η πλειονότητα αυτών των περιοχών τείνουν να διέπουν εργασίες «υψηλότερης τάξης» που απαιτούν περισσότερη γνωστική επεξεργασία, όπως μάθηση, μνήμη και προσοχή — σε σύγκριση με πιο βασικές λειτουργίες όπως η αισθητηριακή, η κινητική και η οπτική επεξεργασία.
Είναι λογικό ότι αυτές οι περιοχές θα ήταν τόσο διακριτικές, εξήγησε ο Fair, επειδή αυτές οι περιοχές ελέγχου υψηλότερης τάξης είναι στην ουσία που μας κάνουν αυτό που είμαστε. Πράγματι, περιοχές του εγκεφάλου όπως ο μετωπιαίος και ο βρεγματικός φλοιός αναπτύχθηκαν αργότερα στην πορεία της εξέλιξης και διευρύνθηκαν καθώς εμφανίστηκαν οι σύγχρονοι άνθρωποι.
«Αν σκεφτείτε τι είναι πιθανό να είναι πιο παρόμοιο μεταξύ των ανθρώπων, θα ήταν τα πιο απλά πράγματα», είπε ο Fair, «όπως πώς κινώ τα δάχτυλά μου και πώς επεξεργάζονται αρχικά οι οπτικές πληροφορίες». Αυτές οι περιοχές διαφέρουν λιγότερο μεταξύ του ανθρώπινου πληθυσμού.
Λαμβάνοντας υπόψη τα μοναδικά μοτίβα δραστηριότητας στις διακριτές περιοχές, το μοντέλο θα μπορούσε να αναγνωρίσει ένα άτομο με βάση νέες σαρώσεις που έγιναν δύο εβδομάδες μετά το γεγονός. Τι είναι όμως μερικές εβδομάδες από τη ζωή; Ο Fair και η ομάδα του άρχισαν να αναρωτιούνται εάν το λειτουργικό δακτυλικό αποτύπωμα κάποιου θα μπορούσε να διατηρηθεί με την πάροδο των ετών ή ακόμη και των γενεών.
Εάν οι ερευνητές μπορούσαν να συγκρίνουν το λειτουργικό αποτύπωμα ενός ατόμου με εκείνα των στενών συγγενών, θα μπορούσαν να διακρίνουν μεταξύ των γενετικών και περιβαλλοντικών δυνάμεων που διαμορφώνουν το νευρικό μας κύκλωμα.
Ανίχνευση νευρικής καταγωγής
Το πρώτο βήμα για τη σύνδεση των γονιδίων με την οργάνωση του εγκεφάλου είναι ο προσδιορισμός ποιες πτυχές του συνδετικού τμήματος μοιράζονται μεταξύ των μελών της οικογένειας. Το έργο είναι πολύχρωμο:Είναι γνωστό ότι οι συγγενείς έχουν δομές του εγκεφάλου που είναι παρόμοιες ως προς τον όγκο, το σχήμα και την ακεραιότητα της λευκής ουσίας, αλλά αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι έχουν τις ίδιες συνδέσεις που συνδέουν αυτές τις δομές. Δεδομένου ότι ορισμένες ψυχικές παθήσεις τείνουν επίσης να εμφανίζονται σε οικογένειες, η αποστολή του Fair να ανιχνεύει κληρονομικές συνδέσεις μπορεί τελικά να βοηθήσει να διακρίνει τα μέρη του εγκεφάλου και τα γονίδια που αυξάνουν τον κίνδυνο ενός ατόμου να αναπτύξει συγκεκριμένες διαταραχές.
Όπως περιέγραψαν σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο, το εργαστήριο ξεκίνησε να δημιουργήσει ένα πλαίσιο μηχανικής μάθησης για να ρωτήσει εάν η διασταυρούμενη συζήτηση μεταξύ των περιοχών του εγκεφάλου ήταν περισσότερο παρόμοια σε συγγενείς παρά σε αγνώστους.
Οι ερευνητές επανεξέτασαν το γραμμικό τους μοντέλο σε ένα νέο σύνολο σαρώσεων εγκεφάλου - αυτή τη φορά συμπεριλαμβανομένων παιδιών - για να διασφαλίσουν ότι η σύνδεση παρέμεινε σχετικά σταθερή σε όλη την πρώιμη εφηβεία. Πράγματι, το μοντέλο ήταν αρκετά ευαίσθητο ώστε να αναγνωρίζει άτομα παρά τις αναπτυξιακές τροποποιήσεις στις νευρωνικές τους συνδέσεις κατά τη διάρκεια μερικών ετών.
Η διερεύνηση του ρόλου της γενετικής και του περιβάλλοντος στα κυκλώματα του εγκεφάλου αρχικά περιελάμβανε τη χρήση ενός αλγόριθμου ταξινόμησης γνωστού ως ταξινομητή για να χωρίσει τα άτομα που δοκιμάστηκαν σε δύο ομάδες, «σχετικά» και «άσχετα», με βάση τα λειτουργικά τους δακτυλικά αποτυπώματα. Το μοντέλο εκπαιδεύτηκε σε παιδιά από το Όρεγκον και στη συνέχεια δοκιμάστηκε σε ένα νέο σύνολο παιδιών καθώς και σε ένα άλλο δείγμα που περιλάμβανε ενήλικες από το Human Connectome Project.
Όπως ένας άνθρωπος παρατηρητής θα μπορούσε να θέσει τις σχέσεις μεταξύ των ανθρώπων με βάση τα φυσικά χαρακτηριστικά όπως το χρώμα των ματιών, το χρώμα των μαλλιών και το ύψος, ο ταξινομητής έκανε το ίδιο χρησιμοποιώντας νευρικές συνδέσεις. Τα λειτουργικά δακτυλικά αποτυπώματα φάνηκαν πιο παρόμοια μεταξύ πανομοιότυπων διδύμων, ακολουθούμενα από αδελφικά δίδυμα, μη δίδυμα αδέρφια και, τέλος, άσχετους συμμετέχοντες.
Ο βοηθός καθηγητής ερευνητής Oscar Miranda-Dominguez - μέλος του εργαστηρίου Fair και ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης - εξεπλάγη που κατάφεραν να αναγνωρίσουν τα ενήλικα αδέρφια χρησιμοποιώντας τα μοντέλα που είχαν εκπαιδευτεί σε παιδιά. Τα μοντέλα που εκπαιδεύτηκαν σε ενήλικες δεν μπορούσαν να το κάνουν αυτό, πιθανώς επειδή τα συστήματα υψηλότερης τάξης των ενηλίκων είχαν ήδη ωριμάσει πλήρως, καθιστώντας τα χαρακτηριστικά τους λιγότερο γενικά στους νέους, αναπτυσσόμενους εγκεφάλους. "Μια περαιτέρω μελέτη με μεγαλύτερα δείγματα και χρονικά διαστήματα ηλικίας μπορεί να αποσαφηνίσει την πτυχή της ωρίμανσης", είπε η Miranda.
Η ικανότητα του μοντέλου να κάνει διακριτικές διακρίσεις μεταξύ των μελών της οικογένειας, πρόσθεσε, ήταν αξιοσημείωτη, επειδή οι ερευνητές είχαν εκπαιδεύσει τον ταξινομητή να οριοθετεί μόνο «σχετικά» και «άσχετα», αντί για βαθμούς συγγένειας. (Το γραμμικό τους μοντέλο του 2014 μπόρεσε να ανιχνεύσει αυτές τις λεπτές διαφορές, αλλά οι πιο παραδοσιακές προσεγγίσεις συσχέτισης δεν ήταν.)
Αν και το δίδυμο δείγμα τους δεν ήταν αρκετά μεγάλο για να αναλύσει λεπτομερώς τις γενετικές επιρροές από τις περιβαλλοντικές, δεν υπάρχει «καμία αμφιβολία» στο μυαλό του Fair ότι το τελευταίο παίζει μεγάλο ρόλο στη διαμόρφωση του λειτουργικού δακτυλικού αποτυπώματος. Το συμπληρωματικό υλικό τους περιέγραψε ένα μοντέλο για να διαφοροποιήσει το κοινό περιβάλλον από την κοινή γενετική, αλλά η ομάδα φροντίζει να μην εξάγει σταθερά συμπεράσματα χωρίς ένα μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων. "Τα περισσότερα από αυτά που βλέπουμε εδώ αφορούν τη γενετική και λιγότερο για το περιβάλλον", είπε ο Fair, "όχι ότι το περιβάλλον δεν έχει επίσης μεγάλη επιρροή στο σύνδεσμο."
Για να διαχωρίσει τις συνεισφορές των κοινών περιβαλλόντων από αυτές της κοινής γενετικής, ο Miranda είπε, «ένας τρόπος για να προχωρήσουμε θα ήταν να βρούμε τα χαρακτηριστικά του εγκεφάλου που μπορούν να διακρίνουν τα πανομοιότυπα δίδυμα από τα μη πανομοιότυπα δίδυμα, καθώς οι δύο τύποι διδύμων μοιράζονται το ίδιο περιβάλλον αλλά μόνο πανομοιότυπο τα δίδυμα μοιράζονται τις ίδιες γενετικές συνεισφορές."
Αν και όλα τα νευρωνικά κυκλώματα που εξέτασαν έδειξαν κάποιο επίπεδο κοινότητας μεταξύ των αδελφών, τα συστήματα ανώτερης τάξης ήταν τα πιο κληρονομήσιμα. Αυτές ήταν οι ίδιες περιοχές που παρουσίαζαν τη μεγαλύτερη ποικιλία μεταξύ των ατόμων στη μελέτη τέσσερα χρόνια πριν. Όπως επεσήμανε η Μιράντα, αυτές οι περιοχές διαμεσολαβούν συμπεριφορές που προέρχονται από το πλέγμα της κοινωνικής αλληλεπίδρασης και της γενετικής, προβλέποντας ίσως μια «οικογενειακή ταυτότητα». Προσθέστε την "κατανεμημένη εγκεφαλική δραστηριότητα" στη λίστα των χαρακτηριστικών που εμφανίζονται στις οικογένειες, αμέσως μετά την υψηλή αρτηριακή πίεση, την αρθρίτιδα και τη μυωπία.
Αναζήτηση ενδείξεων προβλεπόμενης ηλικίας από τον εγκέφαλο
Ενώ ο Fair και η Miranda στο Όρεγκον χαρακτηρίζουν τα γενετικά υπόβαθρα του λειτουργικού συνδέσμου, στο King's College του Λονδίνου ο ερευνητής James Cole εργάζεται σκληρά χρησιμοποιώντας νευροαπεικόνιση και μηχανική μάθηση για να αποκρυπτογραφήσει την κληρονομικότητα της ηλικίας του εγκεφάλου. Η ομάδα του Fair ορίζει την ηλικία του εγκεφάλου ως προς τις λειτουργικές συνδέσεις μεταξύ των περιοχών, αλλά ο Cole την χρησιμοποιεί ως δείκτη ατροφίας - συρρίκνωση του εγκεφάλου - με την πάροδο του χρόνου. Καθώς τα κύτταρα συρρικνώνονται ή πεθαίνουν κατά τη διάρκεια των ετών, ο όγκος του νευρικού συστήματος μειώνεται αλλά το κρανίο παραμένει στο ίδιο μέγεθος και ο επιπλέον χώρος γεμίζει με εγκεφαλονωτιαίο υγρό. Κατά μία έννοια, μετά από ένα ορισμένο σημείο ανάπτυξης, οι εγκέφαλοι γερνούν με μαρασμό.
Το 2010, την ίδια χρονιά που ο Fair συνέγραψε το σημαντικό Science χαρτί που προκάλεσε ενθουσιασμό σχετικά με την αξιοποίηση λειτουργικών δεδομένων μαγνητικής τομογραφίας για τον προσδιορισμό της ηλικίας του εγκεφάλου, ένας από τους συναδέλφους του Cole ηγήθηκε μιας σχετικής προσπάθειας που δημοσιεύτηκε στο NeuroImage , χρησιμοποιώντας ανατομικά δεδομένα, επειδή η διαφορά μεταξύ της συναγόμενης ηλικίας του εγκεφάλου και της χρονολογικής ηλικίας (το «χάσμα ηλικίας του εγκεφάλου») μπορεί να είναι βιολογικά κατατοπιστική.
Σύμφωνα με τον Cole, η γήρανση επηρεάζει ελαφρώς διαφορετικά κάθε άτομο, κάθε εγκέφαλο και ακόμη και κάθε τύπο κυττάρου. Το γιατί ακριβώς υπάρχει ένα τέτοιο «μωσαϊκό γήρανσης» είναι ένα μυστήριο, αλλά ο Cole θα σας πει ότι, σε κάποιο επίπεδο, ακόμα δεν γνωρίζουμε τι είναι η γήρανση. Η έκφραση των γονιδίων αλλάζει με το χρόνο, όπως και ο μεταβολισμός, η κυτταρική λειτουργία και η κυτταρική ανανέωση. Ωστόσο, τα όργανα και τα κύτταρα μπορούν να αλλάξουν ανεξάρτητα. Δεν υπάρχει κανένα γονίδιο ή ορμόνη που να οδηγεί την όλη διαδικασία γήρανσης.
Αν και είναι ευρέως αποδεκτό ότι διαφορετικοί άνθρωποι γερνούν με διαφορετικούς ρυθμούς, η ιδέα ότι διάφορες πτυχές του ίδιου ατόμου μπορεί να ωριμάσουν χωριστά είναι ελαφρώς πιο αμφιλεγόμενη. Όπως εξήγησε ο Cole, υπάρχουν πολλές μέθοδοι για τη μέτρηση της γήρανσης, αλλά δεν έχουν συνδυαστεί ή συγκριθεί πολλές ακόμη. Η ελπίδα είναι ότι μετρώντας πολλούς ιστούς μέσα σε ένα άτομο, οι ερευνητές θα είναι σε θέση να επινοήσουν μια πιο ολοκληρωμένη αξιολόγηση της γήρανσης. Η δουλειά του Cole είναι μια αρχή για να γίνει αυτό με εικόνες εγκεφαλικού ιστού.
Το θεωρητικό πλαίσιο πίσω από την προσέγγιση του Cole είναι σχετικά απλό:Τροφοδοτήστε δεδομένα από υγιή άτομα σε έναν αλγόριθμο που μαθαίνει να προβλέπει την ηλικία του εγκεφάλου από ανατομικά δεδομένα, στη συνέχεια δοκιμάστε το μοντέλο σε ένα νέο δείγμα, αφαιρώντας τη χρονολογική ηλικία των συμμετεχόντων από την ηλικία του εγκεφάλου τους. Εάν η ηλικία του εγκεφάλου τους είναι μεγαλύτερη από τη χρονολογική τους, αυτό σηματοδοτεί μια συσσώρευση αλλαγών που σχετίζονται με την ηλικία, πιθανώς λόγω ασθενειών όπως το Αλτσχάιμερ.
Το 2017, ο Cole χρησιμοποίησε αλγόριθμους που ονομάζονται Gaussian process regressions (GPRs) για να δημιουργήσει μια ηλικία εγκεφάλου για κάθε συμμετέχοντα. Αυτό του επέτρεψε να συγκρίνει τη δική του εκτίμηση για την ηλικία με άλλα υπάρχοντα μέτρα, όπως ποιες περιοχές του γονιδιώματος ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται με την προσθήκη μεθυλομάδων σε διάφορες ηλικίες. Βιοδείκτες όπως η ηλικία μεθυλίωσης είχαν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την πρόβλεψη της θνησιμότητας και ο Cole ύποπτη για την ηλικία του εγκεφάλου θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να το κάνει.
Πράγματι, τα άτομα με εγκέφαλο που φαινόταν μεγαλύτερος από τη χρονολογική τους ηλικία έτειναν να διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο για κακή σωματική και γνωστική υγεία και, τελικά, θάνατο. Ο Cole εξεπλάγη όταν έμαθε ότι η υψηλή ηλικία του εγκεφάλου που προέρχεται από νευροαπεικόνιση δεν συσχετίζεται απαραίτητα με υψηλή ηλικία μεθυλίωσης. Ωστόσο, εάν οι συμμετέχοντες είχαν και τα δύο, ο κίνδυνος θνησιμότητας αυξήθηκε.
Αργότερα την ίδια χρονιά, ο Cole και οι συνάδελφοί του επέκτεισαν αυτή την εργασία χρησιμοποιώντας ψηφιακά νευρωνικά δίκτυα για να αξιολογήσουν εάν η προβλεπόμενη από τον εγκέφαλο ηλικία ήταν πιο παρόμοια μεταξύ των πανομοιότυπων διδύμων παρά των αδελφικών διδύμων. Τα δεδομένα προέκυψαν κατευθείαν από τον σαρωτή μαγνητικής τομογραφίας και περιελάμβαναν εικόνες ολόκληρου του κεφαλιού, με μύτη, αυτιά, γλώσσα, νωτιαίο μυελό και, σε ορισμένες περιπτώσεις, λίγο λίπος γύρω από το λαιμό. Με ελάχιστη προεπεξεργασία, τροφοδοτήθηκαν στο νευρωνικό δίκτυο, το οποίο, μετά από εκπαίδευση και δοκιμή, δημιούργησε τις καλύτερες εκτιμήσεις για την ηλικία του εγκεφάλου. Σύμφωνα με την υπόθεση της γενετικής επιρροής, οι ηλικίες του εγκεφάλου των πανομοιότυπων διδύμων ήταν πιο παρόμοιες από αυτές των αδελφικών διδύμων.
Ενώ τα αποτελέσματά του δείχνουν ότι η ηλικία του εγκεφάλου πιθανότατα οφείλεται εν μέρει στη γενετική, ο Κόουλ προειδοποίησε να μην παραμελεί τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. "Ακόμα κι αν έχετε μια γενετική προδιάθεση να έχετε έναν εγκέφαλο που εμφανίζεται σε μεγαλύτερη ηλικία", είπε, "οι πιθανότητες είναι εάν μπορούσατε να τροποποιήσετε το περιβάλλον σας, αυτό θα μπορούσε να υπερβεί τη ζημιά που μπορεί να προκαλούν τα γονίδιά σας."
Η βοήθεια που παρέχουν τα νευρωνικά δίκτυα σε αυτή την προσπάθεια ανάγνωσης της ηλικίας του εγκεφάλου έρχεται με συμβιβασμούς, τουλάχιστον προς το παρόν. Μπορούν να περάσουν από τα δεδομένα της μαγνητικής τομογραφίας για να βρουν διαφορές μεταξύ των ατόμων, ακόμη και όταν οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ποια χαρακτηριστικά μπορεί να είναι σχετικά. Αλλά μια γενική προειδοποίηση της βαθιάς μάθησης είναι ότι κανείς δεν γνωρίζει ποια χαρακτηριστικά σε ένα σύνολο δεδομένων εντοπίζει το νευρωνικό δίκτυο. Επειδή οι ακατέργαστες εικόνες μαγνητικής τομογραφίας που χρησιμοποιεί περιελάμβαναν ολόκληρο το κεφάλι, ο Cole αναγνωρίζει ότι ίσως θα έπρεπε να αποκαλούμε αυτό που μετρούν «ηλικία ολόκληρου του κεφαλιού» αντί για ηλικία εγκεφάλου. Όπως του επισήμανε κάποτε, είπε, οι μύτες των ανθρώπων αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, οπότε τι θα πει κανείς ότι ο αλγόριθμος δεν το παρακολουθούσε;
Ωστόσο, ο Cole είναι βέβαιος ότι αυτό δεν συμβαίνει, επειδή τα νευρωνικά του δίκτυα είχαν παρόμοια απόδοση τόσο σε ακατέργαστα δεδομένα όσο και σε δεδομένα που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για την αφαίρεση δομών της κεφαλής έξω από τον εγκέφαλο. Η πραγματική ανταμοιβή από την τελική κατανόηση του τι προσέχουν τα νευρωνικά δίκτυα, αναμένει, θα είναι ενδείξεις σχετικά με τα συγκεκριμένα μέρη του εγκεφάλου που εμφανίζονται περισσότερο στην αξιολόγηση της ηλικίας.
Ο Tobias Kaufmann, ερευνητής στο Νορβηγικό Κέντρο Έρευνας Ψυχικών Διαταραχών στο Πανεπιστήμιο του Όσλο, πρότεινε ότι οι τεχνικές μηχανικής μάθησης που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της ηλικίας του εγκεφάλου σχεδόν δεν έχουν σημασία αν το μοντέλο είναι σωστά εκπαιδευμένο και συντονισμένο. Τα αποτελέσματα από διαφορετικούς αλγόριθμους συνήθως συγκλίνουν, όπως διαπίστωσε ο Cole όταν συνέκρινε τα GPR του με το νευρωνικό δίκτυο.
Η διαφορά, σύμφωνα με τον Kaufmann, είναι ότι η μέθοδος βαθιάς μάθησης του Cole μειώνει την ανάγκη για κουραστική, χρονοβόρα προεπεξεργασία δεδομένων MRI. Η συντόμευση αυτού του βήματος θα μπορούσε κάποια μέρα να επιταχύνει τις διαγνώσεις στις κλινικές, αλλά προς το παρόν προστατεύει επίσης τους επιστήμονες από την κατά λάθος επιβολή προκαταλήψεων στα ακατέργαστα δεδομένα.
Τα πλουσιότερα σύνολα δεδομένων ενδέχεται επίσης να επιτρέπουν πιο σύνθετες προβλέψεις, όπως τον εντοπισμό προτύπων ενδεικτικών της ψυχικής υγείας. Το να έχουμε όλες τις πληροφορίες στο σύνολο δεδομένων, χωρίς να τις μετασχηματίσουμε ή να τις μειώσουμε, θα μπορούσε επομένως να βοηθήσει την επιστήμη, είπε ο Κάουφμαν. "Πιστεύω ότι αυτό είναι το μεγάλο πλεονέκτημα της μεθόδου βαθιάς μάθησης."
Ο Κάουφμαν είναι ο κύριος συγγραφέας σε μια εργασία που βρίσκεται υπό αναθεώρηση, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη μελέτη απεικόνισης εγκεφάλου για την ηλικία του εγκεφάλου μέχρι σήμερα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μηχανική μάθηση σε δεδομένα δομικής μαγνητικής τομογραφίας για να αποκαλύψουν ποιες περιοχές του εγκεφάλου παρουσίαζαν τα πιο δυνατά πρότυπα γήρανσης σε άτομα με ψυχικές διαταραχές. Στη συνέχεια, πήγαν την έρευνά τους ένα βήμα παραπέρα, διερευνώντας ποια γονίδια υποχρεώνουν τα πρότυπα γήρανσης του εγκεφάλου σε υγιείς ανθρώπους. Τους ενδιέφερε να σημειώσουν ότι πολλά από τα ίδια γονίδια που επηρέασαν την ηλικία του εγκεφάλου εμπλέκονται επίσης σε κοινές εγκεφαλικές διαταραχές, υποδεικνύοντας ίσως παρόμοιες βιολογικές οδούς.
Ο επόμενος στόχος, είπε, είναι να προχωρήσουμε πέρα από την κληρονομικότητα για να ξεδιαλύνουμε τα συγκεκριμένα μονοπάτια και τα γονίδια που εμπλέκονται στην ανατομία και τη σηματοδότηση του εγκεφάλου.
Αν και η προσέγγιση του Κάουφμαν για την αποκρυπτογράφηση της ηλικίας του εγκεφάλου, όπως και του Κόουλ, επικεντρώνεται στην ανατομία, υπογράμμισε τη σημασία της μέτρησης της ηλικίας του εγκεφάλου και από την άποψη της συνδεσιμότητας. «Νομίζω ότι και οι δύο αυτές προσεγγίσεις είναι εξαιρετικά σημαντικό να υιοθετηθούν», είπε. "Πρέπει να κατανοήσουμε την κληρονομικότητα και την υποκείμενη γενετική αρχιτεκτονική τόσο της δομής όσο και της λειτουργίας του εγκεφάλου."
Ο Cole, για παράδειγμα, δεν έχει κατά νου έλλειψη περαιτέρω ερευνητικών προσπαθειών. Υπάρχει κάτι επιτακτικό σχετικά με την ανάγκη της τεχνητής νοημοσύνης να κατανοήσουμε τη δική μας, που υπογραμμίζεται από τις προόδους που φωτίζουν τη σύνδεση μεταξύ γονιδίων, εγκεφάλου, συμπεριφορών και καταγωγής. Εκτός, φυσικά, εάν διαπιστώσει ότι μελετά την ηλικία της μύτης όλο αυτό το διάστημα.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.
