Brain health

L’analyse de l’IA révèle des différences entre les sexes dans l’organisation et la fonction du cerveau


IRM cérébrale de la tête et du crâne avec pointage du doigt
Crédit photo : haydenbird/Getty Images

Des chercheurs de la faculté de médecine de l’université de Stanford ont développé un nouveau modèle d’intelligence artificielle qui, une fois testé, réussit à plus de 90 % à déterminer si les IRM de l’activité cérébrale humaine proviennent d’hommes ou de femmes.

“L’une des principales motivations de cette étude est que le sexe joue un rôle crucial dans le développement du cerveau humain, le vieillissement et la manifestation de maladies psychiatriques et neurologiques”, a déclaré Vinod May, professeur et directeur de la psychiatrie et des sciences du comportement à l’Université de Stanford. dit. Laboratoire de Neurosciences Cognitives et Systèmes. “L’identification de différences sexuelles cohérentes et reproductibles dans le cerveau adulte en bonne santé est une étape cruciale vers l’acquisition de connaissances sur les vulnérabilités spécifiques au sexe dans les maladies psychiatriques et neurologiques.”

L’étude a été publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Les chercheurs ont conclu dans le rapport : « Nos résultats mettent en évidence le rôle critique du sexe en tant que déterminant biologique dans le tissu cérébral humain, ont des implications importantes pour le développement de biomarqueurs personnalisés spécifiques au sexe dans les maladies psychiatriques et neurologiques, et des outils informatiques innovants basés sur des données artificielles. Des renseignements sont fournis pour des recherches futures. » Les auteurs principaux sont le Dr Srikanth Ryali et le chercheur universitaire Dr Yuan Zhang.

Les auteurs notent que le sexe joue un rôle important dans le développement précoce du cerveau, l’adolescence et le vieillissement. En outre, notent-ils, « le genre est un facteur biologique important qui affecte le comportement humain, influençant le fonctionnement cérébral et la manifestation de maladies psychiatriques et neurologiques… Par conséquent, comprendre les différences entre les sexes dans le cerveau humain est essentiel pour comprendre le comportement normatif et la psychopathologie. » Selon les scientifiques, en fait, la mesure dans laquelle le sexe d’une personne affecte la façon dont son cerveau est organisé et fonctionne a longtemps été une source de débat parmi les scientifiques.

Même si nous savons que les chromosomes sexuels avec lesquels nous sommes nés aident à déterminer le mélange d’hormones auquel notre cerveau est exposé, en particulier au cours du développement précoce, de l’adolescence et du vieillissement, les chercheurs ont longtemps eu du mal à lier le sexe aux différences spécifiques au cerveau humain. Les structures cérébrales des hommes et des femmes ont tendance à se ressembler, et les études antérieures examinant la façon dont les régions du cerveau fonctionnent ensemble ont largement échoué à trouver des indicateurs cérébraux cohérents du genre. “… Les recherches antérieures sur les différences dans l’organisation cérébrale des hommes et des femmes n’ont pas été concluantes”, ont noté les chercheurs. “…notre compréhension des différences entre les sexes dans l’organisation fonctionnelle du cerveau chez les humains et de leurs conséquences comportementales est entravée par des résultats incohérents et un manque de reproductibilité.”

Dans leurs recherches récemment publiées, Menon et ses collègues ont exploité les progrès récents de l’intelligence artificielle et l’accès à plusieurs grands ensembles de données pour effectuer des analyses plus puissantes que celles utilisées auparavant. Tout d’abord, ils ont créé un modèle de réseau neuronal profond spatiotemporel de bout en bout (stDNN) et ont formé le modèle pour classer les données des images cérébrales d’IRM fonctionnelle à l’état de repos (rsfMRI) du Human Connectome Project (HCP). Lorsque les chercheurs ont montré au modèle des scanners cérébraux et lui ont dit qu’il examinait un cerveau masculin ou féminin, le modèle a commencé à « remarquer » des modèles subtils qui l’ont aidé à faire la différence. “Notre modèle stDNN a découvert des différences fiables entre les sexes, avec une précision de classification par validation croisée supérieure à 90 %, ce qui est meilleur que les études précédentes”, ont déclaré les scientifiques.

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L’équipe a évalué la réplicabilité de son modèle prédictif sur d’autres ensembles de données sans formation supplémentaire. Lorsqu’il a été testé sur environ 1 500 scintigraphies cérébrales, le modèle stDNN pouvait presque toujours déterminer si l’analyse provenait d’une femme ou d’un homme. Il a également montré des performances supérieures à celles des modèles utilisés dans des études précédentes, en partie parce qu’il utilisait un réseau neuronal profond qui analysait les analyses dynamiques rsfMRI. Cette approche capture les interactions complexes entre les différentes régions du cerveau. “Notre modèle surpasse les études précédentes en termes de tests et d’ensembles de données indépendants”, a noté l’équipe.

Le succès du modèle suggère qu’il existe des différences détectables entre les sexes dans le cerveau, mais ces différences n’avaient pas été trouvées de manière fiable auparavant. Le fait que le modèle ait bien fonctionné sur un ensemble de données différent, y compris des scanners cérébraux provenant de plusieurs endroits aux États-Unis et en Europe, rend les résultats particulièrement convaincants car ils contrôlent de nombreux facteurs qui pourraient influencer une étude comme celle-ci. “C’est une preuve très solide que le sexe est un déterminant important de l’organisation du cerveau humain”, a déclaré Menon.

Jusqu’à récemment, les modèles utilisés par l’équipe de Menon pouvaient aider les chercheurs à classer les cerveaux en différents groupes, mais ne fournissaient aucune information sur la manière dont se produit la classification. Cependant, les chercheurs d’aujourd’hui ont accès à un outil appelé intelligence artificielle explicable (XAI), qui passe au crible de grandes quantités de données pour expliquer comment les décisions d’un modèle sont prises.

Grâce à l’intelligence artificielle explicable, Menon et son équipe ont identifié les réseaux cérébraux les plus importants pour que les modèles puissent déterminer si une scintigraphie cérébrale provenait d’un homme ou d’une femme. Ils ont découvert que les « points chauds » qui ont le mieux aidé le modèle à différencier les cerveaux masculins et féminins comprenaient le réseau en mode par défaut (DMN), un système cérébral qui nous aide à traiter les informations autoréférentielles, ainsi que les réseaux striatal et limbique, qui sont impliqués dans l’apprentissage et comment nous réagissons aux récompenses.

Ils notent notamment que le DMN, le striatum et le réseau limbique sont également « des sites de dysfonctionnement dans les troubles psychiatriques à prévalence féminine ou masculine, notamment l’autisme, le trouble déficitaire de l’attention, la dépression, la toxicomanie, la schizophrénie et la maladie de Parkinson ». -des séquelles et des résultats spécifiques. ” L’équipe a déclaré que leurs découvertes “… pourraient donc fournir un modèle pour étudier les différences entre les sexes dans la susceptibilité individuelle aux troubles psychiatriques et neurologiques”. “

De plus, les chercheurs se sont demandés s’ils pouvaient créer un autre modèle qui prédirait les performances des participants sur certaines tâches cognitives en fonction de différentes caractéristiques fonctionnelles cérébrales entre les femmes et les hommes. Pour ce faire, ils ont développé un modèle de capacités cognitives spécifique au sexe. Un modèle était efficace pour prédire les performances cognitives chez les hommes mais pas chez les femmes, et l’autre modèle était efficace pour prédire les performances cognitives chez les femmes mais pas chez les hommes. Les résultats suggèrent que les différences dans les caractéristiques fonctionnelles cérébrales entre les sexes ont des implications comportementales significatives. “Essentiellement, les signatures cérébrales identifiées par XAI distinguent de manière fiable l’organisation fonctionnelle du cerveau entre les sexes, tout en prédisant également les caractéristiques cognitives propres aux femmes et aux hommes”, ont commenté les auteurs.

Résumant leurs résultats, ils ont conclu : « Notre approche utilisant les techniques spatio-temporelles DNN et XAI identifie le sexe reproductible, généralisable et interprétable dans le tissu cérébral fonctionnel humain à travers plusieurs ensembles de données et cohortes indépendantes. . Le genre est lié au comportement.”



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