Brain health

Utiliser l’intelligence artificielle pour révéler les différences entre les sexes dans le cerveau


Une nouvelle étude menée par des chercheurs de la faculté de médecine de l’université de Stanford révèle un nouveau modèle d’intelligence artificielle qui réussit à plus de 90 % à déterminer si les analyses de l’activité cérébrale proviennent d’une femme ou d’un homme.

Les résultats seront publiés le 19 février dans Actes de l’Académie nationale des sciences, Aide à résoudre la controverse de longue date sur l’existence de différences fiables entre les sexes dans le cerveau humain, et suggère que la compréhension de ces différences peut être essentielle pour résoudre les troubles neuropsychiatriques qui affectent différemment les femmes et les hommes.

L’une des principales motivations de cette recherche est que le sexe joue un rôle crucial dans le développement du cerveau humain, le vieillissement et la manifestation de maladies mentales et neurologiques. L’identification de différences sexuelles cohérentes et reproductibles dans le cerveau adulte en bonne santé constitue une étape cruciale vers la compréhension des vulnérabilités spécifiques au sexe dans les maladies psychiatriques et neurologiques. “


Dr Vinod Menon, professeur Psychologie Sciences du comportement et directeur du laboratoire de neurosciences cognitives et systémiques de Stanford

Menon est l’auteur principal de l’étude. Les auteurs principaux sont le chercheur principal, le Dr Srikanth Ryali, et le chercheur universitaire, le Dr Yuan Zhang.

Les « points chauds » qui aident le plus les modèles à différencier les cerveaux masculins et féminins comprennent le réseau en mode par défaut, un système cérébral qui nous aide à traiter les informations autoréférentielles, et les réseaux striatal et limbique, qui sont impliqués dans l’apprentissage et la façon dont nous réagissons aux récompenses. .

Les enquêteurs ont noté que ces travaux n’étaient pas Évaluez si les différences liées au sexe surviennent tôt dans la vie ou si elles peuvent être causées par des différences hormonales ou des environnements sociaux différents que les hommes et les femmes sont plus susceptibles de rencontrer.

Découvrez les différences cérébrales

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 la puberté et du vieillissement, les chercheurs ont longtemps eu du mal à relier le sexe aux différences spécifiques dans le cerveau humain. Les structures cérébrales des hommes et des femmes ont tendance à se ressembler, et les études précédentes examinant la façon dont les régions du cerveau fonctionnent ensemble ont largement échoué à trouver des indicateurs cérébraux cohérents du genre.

Dans la présente étude, Menon et son équipe ont profité des progrès récents en matière d’intelligence artificielle et de l’accès à plusieurs grands ensembles de données pour poursuivre des analyses plus puissantes que celles utilisées auparavant. Tout d’abord, ils ont créé un modèle de réseau neuronal profond qui a appris à classer les données d’imagerie cérébrale : lorsque les chercheurs ont montré au modèle des scanners cérébraux et lui ont dit qu’il examinait des cerveaux masculins ou féminins, le modèle a commencé à « remarquer » ce qui était subtil. Les modèles l’aident à se différencier.

Le modèle a démontré des performances supérieures à celles des études précédentes, en partie parce qu’il utilisait un réseau neuronal profond qui analysait les IRM dynamiques. Cette approche capture les interactions complexes entre les différentes régions du cerveau. Lorsque les chercheurs ont testé le modèle sur environ 1 500 scanners cérébraux, ils ont presque toujours déterminé si le scanner provenait d’une femme ou d’un homme.

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Le succès du modèle suggère que des différences détectables entre les sexes existent dans le cerveau, mais n’ont pas encore été découvertes de manière fiable. Le fait qu’il ait donné de bons résultats sur différents ensembles de données, y compris des scanners cérébraux provenant de plusieurs sites aux États-Unis et en Europe, rend les résultats particulièrement convaincants car ils contrôlent bon nombre des facteurs de confusion qui peuvent affecter de telles études.

“C’est une preuve très solide que le sexe est un puissant déterminant de l’organisation du cerveau humain”, a déclaré Menon.

faire des prédictions

Jusqu’à récemment, l’équipe de Menon utilisait des modèles qui pourraient aider les chercheurs à trier le cerveau en différents groupes, mais ne fourniraient pas d’informations sur la manière dont le tri se produit. Aujourd’hui, cependant, les chercheurs ont accès à un outil appelé « intelligence artificielle explicable » qui peut passer au crible de grandes quantités de données, expliquer Comment les décisions modèles 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 constaté que le modèle recherchait le plus souvent le réseau en mode par défaut, les réseaux striataux et limbiques à invoquer.

L’équipe s’est alors demandée si elle pouvait 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. Ils ont développé des modèles de performances cognitives spécifiques au sexe : un modèle était efficace pour prédire les performances cognitives des hommes mais pas celles des femmes, et un autre modèle était efficace pour prédire les performances cognitives des femmes mais pas celles des hommes. Les résultats suggèrent que les différentes caractéristiques fonctionnelles cérébrales entre les sexes ont des implications comportementales significatives.

“Ces modèles fonctionnent très bien parce que nous réussissons à isoler les schémas cérébraux entre les sexes”, a déclaré Menon. “Cela me dit qu’ignorer les différences entre les sexes dans les tissus cérébraux peut nous amener à passer à côté de facteurs clés des maladies neuropsychiatriques.”

Alors que l’équipe appliquait son modèle de réseau neuronal profond à des questions sur les différences entre les sexes, Menon a déclaré que le modèle pourrait être utilisé pour répondre à des questions sur la manière dont tout aspect de la connectivité cérébrale est lié à tout type de capacité ou de comportement cognitif. Lui et son équipe prévoient de rendre leur modèle accessible au public pour que tout chercheur puisse l’utiliser.

“Notre modèle d’IA a une applicabilité très large”, a déclaré Menon. “Par exemple, les chercheurs pourraient utiliser notre modèle pour rechercher des différences cérébrales associées à des troubles d’apprentissage ou à des différences de fonctionnement social ; nous sommes impatients de mieux comprendre ces aspects pour aider les individus à s’adapter et à surmonter ces défis.”

La recherche a été financée par les National Institutes of Health (subventions MH084164, EB022907, MH121069, K25HD074652 et AG072114), l’Initiative interdisciplinaire, le projet Uytengsu-Hamilton 22q11, le Stanford Institute for Maternal and Child Health et un prix NARSAD pour jeune chercheur. .



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