Un nuevo modelo de inteligencia artificial mide el ritmo al que envejece el cerebro de un paciente y podría ser una nueva y potente herramienta para comprender, prevenir y tratar el deterioro cognitivo y la demencia, según investigadores de la USC. Este modelo, el primero de su clase, puede seguir el ritmo de los cambios cerebrales de forma no invasiva analizando imágenes de resonancia magnética (IRM).
Según Andrei Irimia, profesor asociado de gerontología, ingeniería biomédica, biología cuantitativa y computacional y neurociencia en la Facultad de Gerontología Leonard Davis de la USC y profesor visitante de medicina psicológica en el King’s College de Londres, un envejecimiento cerebral más rápido está estrechamente relacionado con un mayor riesgo de deterioro cognitivo. “Se trata de una medida novedosa que podría cambiar la forma de hacer un seguimiento de la salud cerebral tanto en el laboratorio de investigación como en la clínica”, afirma. Saber a qué velocidad envejece el cerebro puede ser muy revelador”. Irimia es el autor principal del estudio que describe el nuevo modelo y su poder predictivo. El estudio se publicó en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
La edad biológica del cerebro y la edad cronológica pueden diferir
La edad biológica es distinta de la edad cronológica de una persona. Dos personas de la misma edad según su fecha de nacimiento pueden tener edades biológicas muy diferentes según el funcionamiento de sus cuerpos y la “edad” que parecen tener los tejidos corporales a nivel celular.
Algunos métodos habituales para medir la edad biológica utilizan muestras de sangre para medir el envejecimiento epigenético y la metilación del ADN, que influyen en la función de los genes en la célula. Sin embargo, medir la edad biológica con muestras de sangre es una estrategia poco adecuada para medir la edad del cerebro, explicó Irimia. La barrera entre el cerebro y el torrente sanguíneo impide que las células sanguíneas entren en el cerebro, por lo que una muestra de sangre del brazo no refleja directamente la metilación y otros procesos relacionados con la edad en el cerebro. Por el contrario, tomar una muestra directamente del cerebro de un paciente es un procedimiento mucho más invasivo, por lo que no es posible medir la metilación del ADN y otros aspectos del envejecimiento cerebral directamente a partir de células cerebrales humanas vivas.
Investigaciones anteriores de Irimia y sus colegas han demostrado el potencial de las resonancias magnéticas para medir de forma no invasiva la edad biológica del cerebro. El modelo anterior utilizaba análisis de IA para comparar la anatomía cerebral de un paciente con datos recopilados a partir de resonancias magnéticas de miles de personas de distintas edades y con diferentes resultados de salud cognitiva. Sin embargo, el análisis transversal de una resonancia magnética para estimar la edad cerebral tiene importantes limitaciones, según los investigadores. Por ejemplo, aunque el modelo anterior podía detectar si el cerebro de un paciente era diez años “mayor” que su edad natural, no podía proporcionar información sobre si este envejecimiento adicional se había producido antes o después en su vida, ni podía indicar si el envejecimiento cerebral se había acelerado.
Un nuevo modelo ofrece una imagen más precisa del envejecimiento cerebral
Una nueva red neuronal convolucional tridimensional (3D-CNN) permite medir con mayor precisión el envejecimiento del cerebro a lo largo del tiempo. El modelo se desarrolló en colaboración con Paul Bogdan, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática y titular de la Cátedra Jack Munushian de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC, y se entrenó y validó utilizando más de 3.000 resonancias magnéticas de adultos cognitivamente normales.
A diferencia de los métodos transversales convencionales, en los que la edad cerebral se calcula a partir de un único escáner en un momento concreto, este método longitudinal compara los escáneres de IRM de la misma persona al principio y al final. Esto permite determinar con mayor precisión los cambios neuroanatómicos asociados al envejecimiento acelerado o desacelerado. La 3D-CNN también genera “mapas de saliencia” interpretables que muestran las regiones cerebrales específicas más importantes para determinar el ritmo de envejecimiento, explica Bogdan. Cuando se aplicaron a un grupo de 104 adultos cognitivamente sanos y 140 enfermos de Alzheimer, los cálculos del nuevo modelo sobre el ritmo de envejecimiento cerebral se correlacionaron estrechamente con los cambios en las pruebas de función cognitiva realizadas en ambos momentos.
Según Bogdan, la concordancia entre estas mediciones y los resultados de las pruebas cognitivas indica que el modelo puede servir como biomarcador precoz del deterioro neurocognitivo. También demuestra su aplicabilidad tanto en individuos cognitivamente normales como en aquellos con deterioro cognitivo. Añadió que el modelo tiene potencial para caracterizar mejor tanto el envejecimiento sano como la progresión de la enfermedad, y que su poder predictivo podría utilizarse algún día para evaluar qué tratamientos serían más eficaces en función de las características individuales.
“La velocidad del envejecimiento cerebral se correlaciona significativamente con los cambios en la función cognitiva”, afirma Irimia. “De modo que si el envejecimiento cerebral es rápido, es más probable que la función cognitiva, incluida la memoria, la velocidad de ejecución, la función de ejecución y la velocidad de procesamiento, también disminuyan rápidamente. No es sólo una medida anatómica; los cambios que vemos en la anatomía están relacionados con los cambios que vemos en la cognición de estos individuos.”
Diferencias de género y posibilidades de pronóstico
En el estudio, Irimia y sus coautores también señalan cómo el nuevo modelo fue capaz de distinguir diferentes ritmos de envejecimiento en distintas regiones del cerebro. El examen de estas diferencias -incluido cómo varían en función de la genética, el entorno y el estilo de vida- podría arrojar luz sobre cómo se desarrollan las distintas patologías en el cerebro. El estudio también demostró que el ritmo de envejecimiento cerebral en determinadas regiones difería entre sexos, lo que podría arrojar luz sobre por qué hombres y mujeres corren riesgos distintos de padecer enfermedades neurodegenerativas, entre ellas el Alzheimer.
Irimia también se mostró entusiasmado con el potencial del nuevo modelo para identificar a las personas con un envejecimiento cerebral más rápido de lo normal antes de que muestren síntomas de deterioro cognitivo. Aunque se han introducido nuevos fármacos contra el Alzheimer, su eficacia ha sido menor de lo que esperaban investigadores y médicos, posiblemente porque los pacientes no toman el fármaco hasta que ya hay una gran cantidad de patología de Alzheimer en el cerebro. Los investigadores esperan crear en el futuro variables pronósticas que puedan ayudar a predecir el riesgo de Alzheimer. Esto sería de gran ayuda, sobre todo a la hora de desarrollar posibles fármacos para la prevención.