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新智元報(bào)道

編輯：耳朵喬楊

【新智元導(dǎo)讀】Nature子刊新研究「大腦時(shí)鐘」可以判斷一個(gè)人的大腦衰老速度是否快于實(shí)際年齡。結(jié)果顯示，女性、不平等現(xiàn)象嚴(yán)重的國(guó)家和拉丁美洲國(guó)家的人，大腦衰老速度更快。

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發(fā)表在Nature子刊《Nature Medicine》的新研究發(fā)現(xiàn)，一款基于AI模型的「大腦時(shí)鐘」可以確定一個(gè)人的大腦衰老速度是否比實(shí)際年齡增長(zhǎng)快。

論文地址：https://doi.org/10.1038/s41591-024-03209-x

通過(guò)fMRI和EEG技術(shù)構(gòu)建的腦時(shí)鐘模型，能捕捉到不同地域、性別和疾病等因素導(dǎo)致的腦衰老差異。時(shí)鐘顯示，女性、不平等程度較高的國(guó)家和拉丁美洲國(guó)家的人群中，大腦老化速度更快。

腦時(shí)鐘可以量化大腦年齡和實(shí)際年齡之間的差異，有望幫助我們判斷大腦健康情況和了解腦部疾病。

研究的主要作者、圣地亞哥阿道夫·伊巴涅斯大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Agustín Ibá?ez說(shuō)，「大腦衰老的方式，不僅僅是時(shí)間的問(wèn)題，也與居住地、職業(yè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、生活環(huán)境中的污染程度等因素息息相關(guān)?！?/span>

大腦連接

通常認(rèn)為，性別差異是影響大腦衰老的關(guān)鍵因素。對(duì)阿爾茨海默病連續(xù)體萎縮的研究表明，女性腦萎縮的速度比男性更快。

然而，迄今為止，還沒(méi)有研究探索大腦的年齡異常，包括跨區(qū)域、性別的人口異質(zhì)性的影響，以及大腦是如何從健康發(fā)展到出現(xiàn)病理狀況的。

研究人員通過(guò)評(píng)估一種復(fù)雜的腦部功能連接來(lái)研究大腦衰老，即功能連接指標(biāo)，可以衡量大腦區(qū)域間相互作用程度，通常隨著年齡的增長(zhǎng)而下降。

論文收集了15個(gè)國(guó)家的數(shù)據(jù)，包括7個(gè)拉丁美洲和加勒比國(guó)家（LAC）和8個(gè)非 LAC 國(guó)家。

在5306名參與者中，有些人身體健康，有些人患有阿爾茨海默病或其他形式的癡呆癥，有些人患有輕度認(rèn)知障礙（癡呆癥的先兆）。

研究人員使用功能磁共振成像（fMRI）或腦電圖（EEG）測(cè)量了參與者的靜息大腦活動(dòng)，即當(dāng)他們不做任何事情時(shí)的大腦活動(dòng)。

fMRI測(cè)量大腦中的血流量，EEG則測(cè)量腦電波活動(dòng)，之后利用圖卷積網(wǎng)絡(luò) (GCN) 實(shí)現(xiàn)fMRI和EEG信號(hào)的功能連接。

作者計(jì)算了每個(gè)人大腦的功能連接指標(biāo)，并將這些數(shù)據(jù)輸入到兩個(gè)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)模型中來(lái)預(yù)測(cè)大腦年齡，一個(gè)接收f(shuō)MRI數(shù)據(jù)作為輸入，一個(gè)接收EEG數(shù)據(jù)。

然后就可以計(jì)算每個(gè)人的大腦年齡差距，也就是實(shí)際年齡與腦時(shí)鐘估計(jì)的大腦年齡之間的差距。

例如，大腦年齡差距為十歲，意味著大腦連接功能與實(shí)際年齡大十歲的人基本相同。

研究過(guò)程

研究的總數(shù)據(jù)集由5306名參與者組成，其中2953名參與者接受fMRI，2353名參與者接受EEG采集。

其中，3509人為對(duì)照，517人患有MCI，828人患有阿爾茨海默病，463人患有行為變異型額顳葉癡呆（bvFTD）。

fMRI數(shù)據(jù)集包括來(lái)自LAC（阿根廷、智利、哥倫比亞、墨西哥和秘魯）以及非LAC（美國(guó)、大陸和日本）的2953名參與者；EEG數(shù)據(jù)集涉及來(lái)自阿根廷、巴西、智利、哥倫比亞和古巴 (LAC) 以及希臘、愛(ài)爾蘭、意大利、土耳其和英國(guó) (非LAC) 的2353名參與者。

通過(guò)過(guò)濾和偽影消除（artifact removal）對(duì)原始fMRI和EEG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行歸一化以將其投影到源空間中。

使用自動(dòng)解剖標(biāo)記 (AAL) 圖集對(duì)fMRI和EEG信號(hào)進(jìn)行分割，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)，獲得了兩種模式的連接矩陣，隨后用圖表表示，作為卷積深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

LAC和非LAC

研究使用來(lái)自對(duì)照數(shù)據(jù)集（LAC和非LAC）的fMRI和EEG信號(hào)來(lái)訓(xùn)練和測(cè)試大腦衰老模型，預(yù)測(cè)大腦年齡的模型獲得了足夠的擬合度（fMRI：R²=0.52，P<0.001，f²=1.07；EEG：R²=0.45，P<0.001，f²=0.83）。

主要的預(yù)測(cè)性腦區(qū)域特征包括額后網(wǎng)絡(luò)的中樞，fMRI模型的額外節(jié)點(diǎn)包括額下回、前扣帶回、正中扣帶回和副扣帶回；對(duì)于腦電圖，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)還包括頂上回、頂下回和枕下回。

在非LAC數(shù)據(jù)集中，模型對(duì)腦年齡的預(yù)測(cè)具有較高的擬合度（fMRI：R2=0.40，P<0.001，f2= 0.67；EEG：R2=0.43，P<0.001，f2=0.76），主要預(yù)測(cè)特征的樞紐節(jié)點(diǎn)包括額上回（背外側(cè)）、中央前回和枕中回等。

在LAC數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練和測(cè)試的模型的擬合度相對(duì)較低，存在較大的正偏差，主要特征涉及額頂葉網(wǎng)絡(luò)的前顳葉節(jié)點(diǎn)，與非LAC模型相比，表現(xiàn)為更大的腦年齡，共同節(jié)點(diǎn)包括枕中回、頂上回和額中回等。

這些數(shù)據(jù)表明，LAC地區(qū)的參與者不僅在fMRI和EEG兩種影像數(shù)據(jù)的腦齡預(yù)測(cè)中都顯示出顯著的腦齡偏大，而且程度遠(yuǎn)高于非LAC國(guó)家。

研究認(rèn)為，這種差異可能與LAC地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等、空氣污染以及醫(yī)療資源的不足密切相關(guān)。

LAC地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)面臨著嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等問(wèn)題。研究通過(guò)分析基尼系數(shù)（一種衡量收入不平等的指標(biāo)）發(fā)現(xiàn)，LAC地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等與腦齡差異呈顯著正相關(guān)，這意味著更高的不平等可能導(dǎo)致更快的大腦老化。

PM2.5等空氣污染物也是LAC地區(qū)腦齡差異加劇的重要因素。研究表明，長(zhǎng)期暴露于高濃度的空氣污染中，會(huì)對(duì)大腦健康產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是會(huì)加速大腦的老化過(guò)程。

LAC地區(qū)的醫(yī)療資源相對(duì)匱乏，許多慢性疾病和傳染病的負(fù)擔(dān)更大，這些因素都可能加速大腦功能的衰退。

MCI、阿爾茨海默病和bvFTD加速衰老

模型顯示，相比患有輕度認(rèn)知障礙的人和健康對(duì)照者，患有阿爾茨海默癥或其他類(lèi)型癡呆癥的人大腦年齡差距更大，從健康對(duì)照組到MCI到阿爾茨海默病，腦齡差距逐漸增加。

性別因素

控制性別變量，非LAC數(shù)據(jù)集的各組之間沒(méi)有顯著差異。然而，在LAC地區(qū)，患有阿爾茨海默癥的女性表現(xiàn)出更大的大腦年齡差距。

研究發(fā)現(xiàn)，患有神經(jīng)認(rèn)知障礙的女性生活在性別不平等程度較高的國(guó)家（特別是來(lái)自LAC），常常有更高的腦年齡差距。

總體而言，受所在國(guó)家性別不平等的影響，拉丁美洲和加勒比地區(qū)患有阿爾茨海默癥的女性可能往往得不到及時(shí)有效的治療，與男性相比，大腦年齡差距較大。

研究結(jié)論

研究主要使用了梯度增強(qiáng)回歸模型來(lái)探討社會(huì)因素、疾病因素和性別差異對(duì)大腦年齡差距的影響。其中，社會(huì)因素比較豐富，包括空氣污染（PM2.5）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等（基尼系數(shù)）以及傳染病、孕產(chǎn)婦、產(chǎn)前和營(yíng)養(yǎng)狀況以及非傳染性疾病等等。

在LAC和非LAC數(shù)據(jù)集中，神經(jīng)認(rèn)知障礙疾病（MCI、阿爾茨海默癥或bvFTD）和嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等情況（基尼系數(shù)）是大腦年齡差距擴(kuò)大的最大影響因素，高污染以及疾病也影響大腦年齡差距的擴(kuò)大，盡管幅度不大。