Analys av nästan 50 000 hjärnskanningar har avslöjat fem olika mönster av hjärnatrofi kopplade till åldrande och neurodegenerativa sjukdomar. Analysen kopplade också mönstren till livsstilsfaktorer som rökning och alkoholkonsumtion, samt till genetiska och blodbaserade markörer associerade med hälsotillstånd och sjukdomsrisk.

Verket är ett "metodologiskt mästerverk" som avsevärt skulle kunna främja forskarnas förståelse av åldrande, säger Andrei Irimia, en gerontolog vid University of Southern California i Los Angeles som inte var involverad i arbetet. "Innan denna studie visste vi att hjärnans anatomi förändras med åldrande och sjukdom. Men vår förmåga att fånga denna komplexa interaktion var mycket mer blygsam."

Studien genomfördes den 15 augusti iNaturmedicinpubliceras.

Rynkor i hjärnan

Åldrande kan orsaka inte bara grått hår utan också förändringar i hjärnans anatomi som är synliga på magnetiska resonansbilder, med vissa områden som krymper eller genomgår strukturella förändringar över tiden. Dessa transformationer är dock subtila. "Det mänskliga ögat kan inte uppfatta mönster av systematiska hjärnförändringar" som är förknippade med denna nedbrytning, säger Christos Davatzikos, en biomedicinsk avbildningsspecialist vid University of Pennsylvania i Philadelphia och författare till tidningen.

Tidigare studier har visat att maskininlärning kan extrahera de subtila fingeravtrycken av åldrande från MRI-data. Dessa studier var dock ofta begränsade i omfattning och inkluderade vanligtvis data från ett relativt litet antal personer.

För att identifiera bredare mönster påbörjade Davatzikos team en studie som tog cirka åtta år att slutföra och publicera. De använde en metod för djupinlärning som heter Surreal-GAN, som utvecklades av första författaren Zhijian Yang medan han var student i Davatzikos labb. Forskarna tränade algoritmen med hjälp av hjärn-MRI från 1 150 friska personer i åldrarna 20 till 49 och 8 992 äldre vuxna, inklusive många med kognitiva funktionsnedsättningar. Detta lärde algoritmen att känna igen återkommande egenskaper hos åldrande hjärnor, vilket gjorde att den kunde bygga en intern modell av anatomiska strukturer som förändras samtidigt, i motsats till de som tenderar att förändras oberoende av varandra.

Forskarna tillämpade sedan den resulterande modellen på MRI-skanningar av nästan 50 000 personer som deltog i olika studier om åldrande och neurologisk hälsa. Denna analys gav fem diskreta mönster av hjärnatrofi. Forskarna kopplade olika typer av åldersrelaterad hjärndegeneration till kombinationer av de fem mönstren, även om det fanns vissa skillnader mellan personer med samma tillstånd.

Åldrande mönster

Till exempel hade demens och dess föregångare, mild kognitiv funktionsnedsättning, kopplingar till tre av de fem mönstren. Intressant nog hittade forskarna också bevis för att mönstren de identifierade potentiellt skulle kunna användas för att avslöja sannolikheten för ytterligare hjärndegeneration i framtiden. "Om du vill förutsäga övergången från ett kognitivt normalt tillstånd till mild kognitiv funktionsnedsättning, var en sak den mest förutseende," säger Davatzikos. "I senare skeden, att lägga till ett andra [mönster] berikar din förutsägelse, vilket är vettigt eftersom detta fångar spridningen av patologin." Andra mönster var associerade med sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers, samt en kombination av tre mönster som var starkt förutsägande för dödlighet.

Författarna fann tydliga kopplingar mellan specifika mönster av hjärnatrofi och olika fysiologiska och miljömässiga faktorer, inklusive alkoholkonsumtion och rökning, samt olika genetiska och biokemiska signaturer associerade med hälsa. Davatzikos säger att dessa resultat sannolikt återspeglar effekten av allmänt fysiskt välbefinnande på neurologisk hälsa, eftersom skador på andra organsystem kan få konsekvenser för hjärnan.

Men Davatzikos varnar för att studien "inte betyder att allt kan reduceras till fem nummer", och hans team avser att arbeta med datauppsättningar som inkluderar ett bredare utbud av neurologiska sjukdomar och har större etnisk och kulturell mångfald.