Un nuovo modello di intelligenza artificiale misura la velocità di invecchiamento del cervello di un paziente e potrebbe essere un nuovo potente strumento per comprendere, prevenire e trattare il declino cognitivo e la demenza, secondo i ricercatori della USC. Il modello, primo nel suo genere, è in grado di tracciare il ritmo dei cambiamenti cerebrali in modo non invasivo analizzando le scansioni di risonanza magnetica (MRI).
Secondo Andrei Irimia, professore associato di gerontologia, ingegneria biomedica, biologia quantitativa e computazionale e neuroscienze presso la USC Leonard Davis School of Gerontology e professore ospite di medicina psicologica presso il King’s College di Londra, un invecchiamento cerebrale più rapido è strettamente correlato a un rischio maggiore di deterioramento cognitivo. “Si tratta di una misura innovativa che potrebbe cambiare il modo in cui seguiamo la salute del cervello sia nel laboratorio di ricerca che nella clinica”, ha dichiarato. Sapere quanto velocemente invecchia il cervello può essere molto rivelatore”. Irimia è l’autore principale dello studio che descrive il nuovo modello e il suo potere predittivo. Lo studio è stato pubblicato nei Proceedings of the National Academy of Sciences.
L’età biologica del cervello e l’età cronologica possono differire
L’età biologica è diversa dall’età cronologica di una persona. Due persone che hanno la stessa età in base alla data di nascita possono avere età biologiche molto diverse in base al funzionamento dei loro corpi e all'”età” che i tessuti del corpo sembrano avere a livello cellulare.
Alcuni metodi comuni di misurazione dell’età biologica utilizzano campioni di sangue per misurare l’invecchiamento epigenetico e la metilazione del DNA, che influenzano il ruolo dei geni nella cellula. Tuttavia, la misurazione dell’età biologica tramite campioni di sangue è una strategia inadeguata per misurare l’età del cervello, ha spiegato Irimia. La barriera tra il cervello e il flusso sanguigno impedisce alle cellule del sangue di entrare nel cervello, quindi un campione di sangue prelevato dal braccio non riflette direttamente la metilazione e altri processi legati all’età nel cervello. Al contrario, prelevare un campione direttamente dal cervello di un paziente è una procedura molto più invasiva, quindi non è possibile misurare la metilazione del DNA e altri aspetti dell’invecchiamento cerebrale direttamente dalle cellule cerebrali umane vive.
Una precedente ricerca di Irimia e colleghi ha dimostrato il potenziale della risonanza magnetica per misurare in modo non invasivo l’età biologica del cervello. Il modello precedente utilizzava l’analisi dell’intelligenza artificiale per confrontare l’anatomia cerebrale di un paziente con i dati raccolti dalle scansioni MRI di migliaia di persone di età diverse e con esiti cognitivi diversi. Tuttavia, secondo i ricercatori, l’analisi trasversale di una risonanza magnetica per stimare l’età del cervello presenta limitazioni significative. Per esempio, mentre il modello precedente era in grado di rilevare se il cervello di un paziente fosse più “vecchio” di dieci anni rispetto alla sua età anagrafica, non era in grado di fornire informazioni sul fatto che questo invecchiamento aggiuntivo si fosse verificato prima o dopo la sua vita, né di indicare se l’invecchiamento cerebrale fosse accelerato.
Un nuovo modello fornisce un quadro più accurato dell’invecchiamento del cervello
Una rete neurale convoluzionale tridimensionale (3D-CNN) di nuova concezione fornisce un modo più accurato per misurare l’invecchiamento del cervello nel tempo. Il modello è stato sviluppato in collaborazione con Paul Bogdan, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e titolare della Jack Munushian Early Career Chair presso la USC Viterbi School of Engineering, ed è stato addestrato e convalidato utilizzando più di 3.000 scansioni MRI di adulti cognitivamente normali.
A differenza degli approcci trasversali convenzionali, in cui l’età cerebrale viene stimata da una singola scansione in un momento specifico, questo metodo longitudinale confronta le scansioni MRI della stessa persona all’inizio e alla fine. Ciò consente di determinare con maggiore precisione i cambiamenti neuroanatomici associati a un invecchiamento accelerato o decelerato. La 3D-CNN genera anche “mappe di salienza” interpretabili che mostrano le regioni cerebrali specifiche più importanti per determinare il ritmo dell’invecchiamento, ha detto Bogdan. Quando è stato applicato a un gruppo di 104 adulti cognitivamente sani e a 140 pazienti affetti da Alzheimer, i calcoli del nuovo modello sul tasso di invecchiamento cerebrale sono risultati strettamente correlati ai cambiamenti nei test di funzionalità cognitiva eseguiti in entrambi i momenti.
Secondo Bogdan, l’accordo tra queste misurazioni e i risultati dei test cognitivi indica che il modello può servire come biomarcatore precoce del declino neurocognitivo. Inoltre, dimostra la sua applicabilità sia agli individui cognitivamente normali sia a quelli con deterioramento cognitivo. Ha aggiunto che il modello ha il potenziale per caratterizzare meglio sia l’invecchiamento sano che la progressione della malattia e che il suo potere predittivo potrebbe un giorno essere utilizzato per valutare quali trattamenti sarebbero più efficaci in base alle caratteristiche individuali.
“La velocità dell’invecchiamento cerebrale è correlata in modo significativo ai cambiamenti della funzione cognitiva”, spiega Irimia. “Quindi, se l’invecchiamento cerebrale è rapido, anche le funzioni cognitive, tra cui la memoria, la velocità di esecuzione, la funzione esecutiva e la velocità di elaborazione, hanno maggiori probabilità di diminuire rapidamente”. Non si tratta solo di una misurazione anatomica; i cambiamenti che vediamo nell’anatomia sono correlati ai cambiamenti che vediamo nella cognizione di questi individui”.
Differenze di genere e possibilità prognostiche
Nello studio, Irimia e i suoi coautori notano anche come il nuovo modello sia stato in grado di distinguere diversi tassi di invecchiamento nelle varie regioni del cervello. L’esame di queste differenze – comprese quelle che variano in base alla genetica, all’ambiente e allo stile di vita – potrebbe far luce su come si sviluppano le diverse patologie nel cervello. Lo studio ha anche dimostrato che il ritmo dell’invecchiamento cerebrale in alcune regioni è diverso tra i due sessi, il che potrebbe far luce sul motivo per cui uomini e donne sono a rischio diverso di malattie neurodegenerative, tra cui l’Alzheimer.
Irimia ha dichiarato di essere entusiasta del potenziale del nuovo modello per identificare le persone con un invecchiamento cerebrale più rapido del normale prima che manifestino i sintomi del deterioramento cognitivo. Sebbene siano stati introdotti nuovi farmaci per l’Alzheimer, la loro efficacia è stata inferiore a quanto sperato dai ricercatori e dai medici, forse perché i pazienti non assumono il farmaco fino a quando una grande quantità di patologia dell’Alzheimer è già presente nel cervello. I ricercatori sperano di creare in futuro variabili prognostiche che possano aiutare a prevedere il rischio di Alzheimer. Questo sarebbe estremamente utile, soprattutto quando si tratta di sviluppare potenziali farmaci per la prevenzione.