Εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης αποκαλύπτει διαφορές φύλου στη δομή του εγκεφάλου

Προγράμματα υπολογιστών τεχνητής νοημοσύνης (AI) που επεξεργάζονται μαγνητικές τομογραφίες αποκαλύπτουν διαφορές στην οργάνωση του εγκεφάλου των ανδρών και των γυναικών σε κυτταρικό επίπεδο, σύμφωνα με μια νέα μελέτη. Αυτές οι διαφορές βρέθηκαν στη λευκή ουσία, ιστό που βρίσκεται κυρίως στο εσωτερικό στρώμα του ανθρώπινου εγκεφάλου που διευκολύνει την επικοινωνία μεταξύ των περιοχών.

Οι άνδρες και οι γυναίκες είναι γνωστό ότι υποφέρουν διαφορετικά από σκλήρυνση κατά πλάκας, διαταραχή του φάσματος του αυτισμού, ημικρανίες και άλλα εγκεφαλικά προβλήματα και παρουσιάζουν διαφορετικά συμπτώματα. Η λεπτομερής κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το βιολογικό σεξ επηρεάζει τον εγκέφαλο θεωρείται ως ένας τρόπος βελτίωσης των διαγνωστικών εργαλείων και θεραπειών. Ωστόσο, αν και το μέγεθος, το σχήμα και το βάρος του εγκεφάλου έχουν μελετηθεί, οι ερευνητές έχουν μόνο μερική κατανόηση της δομής του σε κυτταρικό επίπεδο.

Η νέα μελέτη, με επικεφαλής τους ερευνητές στο NYU Langone Health, χρησιμοποίησε μια τεχνική τεχνητής νοημοσύνης που ονομάζεται μηχανική μάθηση για να αναλύσει χιλιάδες μαγνητικές τομογραφίες εγκεφάλου 471 ανδρών και 560 γυναικών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα προγράμματα υπολογιστών μπορούσαν να διακρίνουν με ακρίβεια τον ανδρικό και τον γυναικείο εγκέφαλο, αποκαλύπτοντας δομικά και πολύπλοκα μοτίβα που ήταν αόρατα στο ανθρώπινο μάτι.

Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από τρία διαφορετικά μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης που σχεδιάστηκαν για τον προσδιορισμό του βιολογικού φύλου, χρησιμοποιώντας τις σχετικές δυνάμεις τους είτε στην εστίαση σε μικρές περιοχές λευκής ουσίας είτε στην ανάλυση των συνδέσεων μεταξύ μεγάλων περιοχών του εγκεφάλου.

"Τα ευρήματά μας παρέχουν μια σαφέστερη κατανόηση της δομής του ζωντανού ανθρώπινου εγκεφάλου, η οποία μπορεί να προσφέρει νέες γνώσεις για το πόσες ψυχιατρικές και νευρολογικές διαταραχές αναπτύσσονται και γιατί μπορεί να εμφανίζονται διαφορετικά σε άνδρες και γυναίκες", δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. Και νευροακτινολόγος Yvonne Luey, MD.

Ο Luy, καθηγητής και αντιπρόεδρος έρευνας στο τμήμα ακτινολογίας στο NYU Grossman School of Medicine, σημειώνει ότι προηγούμενες μελέτες για τη μικροδομή του εγκεφάλου βασίστηκαν κυρίως σε ζωικά μοντέλα και δείγματα ανθρώπινου ιστού. Επιπλέον, η εγκυρότητα μερικών από αυτά τα προηγούμενα ευρήματα έχει τεθεί υπό αμφισβήτηση από τη χρήση στατιστικών αναλύσεων περιοχών ενδιαφέροντος «σχεδιασμένες με το χέρι», οι οποίες απαιτούσαν από τους ερευνητές να λάβουν πολλές υποκειμενικές αποφάσεις σχετικά με το σχήμα, το μέγεθος και τη θέση των επιλεγμένων περιφέρειες. Τέτοιες εκλογές θα μπορούσαν ενδεχομένως να στρεβλώσουν τα αποτελέσματα, λέει ο Lui.

Η νέα μελέτη απέφυγε αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας μηχανική εκμάθηση για να αναλύσει ολόκληρες ομάδες εικόνων χωρίς να κατευθύνει τον υπολογιστή σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία, βοηθώντας στην εξάλειψη της ανθρώπινης προκατάληψης, σημειώνουν οι συγγραφείς.

Για τη μελέτη, η ομάδα ξεκίνησε παρέχοντας στα προγράμματα τεχνητής νοημοσύνης υπάρχοντα δεδομένα από δείγματα μαγνητικής τομογραφίας εγκεφάλου υγιών ανδρών και γυναικών, προσδιορίζοντας επίσης το βιολογικό φύλο κάθε σάρωσης. Επειδή αυτά τα μοντέλα σχεδιάστηκαν για να χρησιμοποιούν εξελιγμένες στατιστικές και μαθηματικές τεχνικές για να γίνουν πιο «έξυπνα» με την πάροδο του χρόνου καθώς συσσωρεύονται δεδομένα, τελικά «μάθαν» να διακρίνουν μόνα τους το βιολογικό φύλο. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι απαγορεύτηκε στα προγράμματα να χρησιμοποιούν το συνολικό μέγεθος και σχήμα του εγκεφάλου για τον προσδιορισμό τους, λέει ο Lui.

Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, όλα τα μοντέλα προσδιόρισαν σωστά το φύλο από σαρώσεις στο 92% - 98% των περιπτώσεων. Πολλά χαρακτηριστικά βοήθησαν ιδιαίτερα τα μηχανήματα να καταλήξουν στα συμπεράσματά τους, συμπεριλαμβανομένου του πόσο εύκολα και προς ποια κατεύθυνση μπορούσε να κινηθεί το νερό μέσω του εγκεφαλικού ιστού.

"Αυτά τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν τη σημασία της διαφορετικότητας κατά τη μελέτη ασθενειών που προέρχονται από τον ανθρώπινο εγκέφαλο", δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Junbo Chen, MS, διδακτορικός φοιτητής στη Σχολή Μηχανικών του NYU Tandon.

"Εάν, όπως συνέβαινε ιστορικά, οι άνδρες χρησιμοποιούνται ως το τυπικό μοντέλο για διάφορες διαταραχές, οι ερευνητές μπορεί να χάσουν κρίσιμες γνώσεις", πρόσθεσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Vara Lakshmi Bayanagari, MS, μεταπτυχιακή φοιτήτρια έρευνας στο NYU Tandon. Σχολή Μηχανικών.

Ο Bayanagari προειδοποιεί ότι, ενώ τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης θα μπορούσαν να αναφέρουν διαφορές στην οργάνωση των εγκεφαλικών κυττάρων, δεν μπορούσαν να αποκαλύψουν ποιο φύλο ήταν πιο επιρρεπές σε ποια χαρακτηριστικά. Προσθέτει ότι η μελέτη ταξινόμησε το φύλο με βάση γενετικές πληροφορίες και περιλάμβανε μόνο μαγνητικές τομογραφίες ανδρών και γυναικών cisgender.

Η ομάδα σχεδιάζει να μελετήσει περαιτέρω την ανάπτυξη των διαφορών του φύλου στη δομή του εγκεφάλου με την πάροδο του χρόνου για να κατανοήσει καλύτερα τον ρόλο των περιβαλλοντικών, ορμονικών και κοινωνικών παραγόντων σε αυτές τις αλλαγές, είπαν οι συγγραφείς.

Η εργασία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Scientific Reports.