Nowy model sztucznej inteligencji opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Południowej Kalifornii (USC) mierzy tempo starzenia się mózgu pacjenta i może stać się potężnym narzędziem w zrozumieniu, zapobieganiu oraz leczeniu zaburzeń poznawczych i demencji.
To pierwsze w swoim rodzaju narzędzie umożliwia nieinwazyjne śledzenie zmian w mózgu poprzez analizę obrazów uzyskanych za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI). Szybsze starzenie się mózgu wiąże się z wyższym ryzykiem upośledzenia funkcji poznawczych – wyjaśnia dr Andrei Irimia, profesor nadzwyczajny gerontologii, inżynierii biomedycznej, biologii obliczeniowej i neuronauki w USC Leonard Davis School of Gerontology oraz profesor wizytujący psychiatrii w King’s College London.
„To nowatorski pomiar, który może zmienić sposób monitorowania zdrowia mózgu zarówno w laboratorium badawczym, jak i w praktyce klinicznej” – podkreśla Irimia. „Świadomość tempa starzenia się własnego mózgu może mieć ogromne znaczenie”.
Irimia jest głównym autorem badania opisującego nowy model oraz jego zdolność do przewidywania zmian w mózgu. Wyniki badania opublikowano 24 lutego 2025 r. w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Biologiczny wiek mózgu a wiek chronologiczny
Jak wyjaśnia Irimia, wiek biologiczny jest pojęciem odrębnym od wieku chronologicznego. Dwie osoby urodzone w tym samym roku mogą mieć zupełnie różny wiek biologiczny w zależności od kondycji ich organizmu oraz stopnia „zużycia” tkanek na poziomie komórkowym.
Jedną z metod określania wieku biologicznego jest analiza próbek krwi, mierząca starzenie epigenetyczne i metylację DNA, która wpływa na ekspresję genów w komórkach. Jednakże, jak zauważa Irimia, pobieranie krwi nie jest skuteczną metodą określania wieku mózgu. Bariera krew-mózg uniemożliwia bezpośrednie przenikanie komórek krwi do mózgu, co oznacza, że próbka krwi pobrana z ramienia nie odzwierciedla dokładnie procesów starzenia zachodzących w tkance nerwowej.
Alternatywą byłoby pobranie próbki bezpośrednio z mózgu pacjenta, jednak jest to procedura wysoce inwazyjna i niepraktyczna dla oceny wieku mózgu u żyjących pacjentów.
Poprzednie badania Irimii i jego współpracowników wskazywały, że MRI może stanowić obiecujące narzędzie do nieinwazyjnej oceny wieku biologicznego mózgu. Wcześniejszy model AI analizował obrazy MRI i porównywał je z bazą skanów tysięcy osób o różnym wieku i stanie zdrowia poznawczego.
Jednak tamten model miał istotne ograniczenia – mówi Irimia. Mógł określić, czy mózg pacjenta wygląda na starszy o 10 lat w stosunku do jego wieku kalendarzowego, ale nie był w stanie wskazać, kiedy doszło do tego przyspieszonego starzenia ani czy proces ten uległ nagłemu przyspieszeniu.
Nowa metoda dokładniejszego pomiaru starzenia się mózgu
Nowo opracowana trójwymiarowa konwolucyjna sieć neuronowa (3D-CNN) oferuje bardziej precyzyjny sposób monitorowania starzenia się mózgu w czasie. Model ten powstał we współpracy z dr. Paulem Bogdanem, profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej w USC Viterbi School of Engineering.
Nowy model został wytrenowany i zwalidowany na podstawie ponad 3 000 skanów MRI osób poznawczo zdrowych. W przeciwieństwie do wcześniejszych metod, które opierały się na pojedynczych skanach, model ten porównuje obrazy MRI uzyskane z różnych momentów życia tej samej osoby. Pozwala to precyzyjniej śledzić zmiany neuroanatomiczne związane z przyspieszonym lub spowolnionym starzeniem się.
Dodatkowo, 3D-CNN generuje tzw. „mapy istotności” (saliency maps), które wskazują konkretne obszary mózgu najbardziej zaangażowane w proces starzenia – wyjaśnia Bogdan.
Nowy model przetestowano na grupie 104 zdrowych poznawczo dorosłych oraz 140 pacjentach z chorobą Alzheimera. Okazało się, że obliczone tempo starzenia się mózgu było silnie skorelowane z wynikami testów poznawczych przeprowadzonych na obu etapach badania.
„Zbieżność tych wyników sugeruje, że model może służyć jako wczesny biomarker spadku funkcji poznawczych” – podkreśla Bogdan.
Perspektywy i przyszłe zastosowania
Badacze zwracają uwagę, że nowy model pozwala wykrywać różnice w tempie starzenia się w różnych regionach mózgu. Analiza tych różnic, uwzględniająca czynniki genetyczne, środowiskowe i styl życia, może dostarczyć nowych informacji o mechanizmach rozwoju chorób neurodegeneracyjnych.
Co więcej, badanie wykazało, że tempo starzenia się mózgu różni się między płciami, co może pomóc wyjaśnić, dlaczego kobiety i mężczyźni są narażeni na różne ryzyka związane z chorobami neurodegeneracyjnymi, w tym chorobą Alzheimera.
Irimia podkreśla również, że model ten może pomóc w identyfikacji osób ze zwiększonym tempem starzenia się mózgu jeszcze przed pojawieniem się objawów upośledzenia funkcji poznawczych. Wczesna diagnoza jest kluczowa, ponieważ dostępne obecnie leki na chorobę Alzheimera często okazują się nieskuteczne, gdy są stosowane na późniejszych etapach choroby.
„Chcielibyśmy być w stanie określić indywidualne ryzyko rozwoju Alzheimera na podstawie naszych analiz” – mówi Irimia. „To wciąż przyszłość, ale pracujemy nad tym. Tego rodzaju pomiary mogą w przyszłości pomóc w opracowywaniu skuteczniejszych metod prewencji i terapii”.
Źródło: Proceedings of the National Academy of Sciences, University of Southern California
