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# Gesundheitswissenschaften # Neurologie

Fortschritte bei der Erkennung neurodegenerativer Krankheiten

Neue Methoden zielen darauf ab, die frühzeitige Erkennung von Alzheimer- und Parkinson-Erkrankungen zu verbessern.

Faraz Faghri, A. Dadu, M. Ta, N. J. Tustison, A. Daneshmand, K. Marek, A. B. Singleton, R. H. Campbell, M. A. Nalls, H. Iwaki, B. Avants

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Inhaltsverzeichnis

Neurodegeneration beschreibt einen allmählichen Rückgang der Gesundheit und Funktion von Nervenzellen oder Neuronen im Gehirn. Das kann zu verschiedenen Störungen führen, wobei Alzheimer und Parkinson die bekanntesten sind. Beide Krankheiten betreffen Millionen von Menschen weltweit. Alzheimer hat hauptsächlich Einfluss auf das Gedächtnis und die Kognition, während Parkinson vor allem die Bewegung und die motorischen Fähigkeiten beeinträchtigt. Aber beide Erkrankungen betreffen nicht nur das Gehirn, sondern auch den ganzen Körper.

Die Komplexität der Störungen

Sowohl Alzheimer als auch Parkinson zeigen eine Vielzahl von Symptomen, die von Person zu Person stark variieren können. Diese Unterschiede können von Faktoren wie dem Bildungsniveau, dem Alter, in dem die Symptome auftreten, der Geschwindigkeit des Krankheitsverlaufs und der Mischung aus motorischen und nicht-motorischen Symptomen abhängen. Aufgrund dieser Vielfalt kann man diese Krankheiten nicht einfach in zwei separate Gruppen einteilen. Stattdessen werden sie als Teil eines Spektrums von Störungen angesehen. Daher sind neue Methoden nötig, um die Wahrscheinlichkeit und das Risiko dieser Krankheiten zu bewerten.

Die Bedeutung der frühzeitigen Erkennung

Eine frühe Erkennung neurodegenerativer Krankheiten ist entscheidend. Oft haben diese Krankheiten eine lange Phase, in der keine Symptome auftreten. Die Krankheit in diesem Stadium zu identifizieren, könnte die Wirksamkeit von Behandlungen zur Verlangsamung des Fortschreitens verbessern. Veränderungen in der Gehirnstruktur können bereits auftreten, bevor Symptome sichtbar werden. Ausserdem haben genetische Faktoren einen signifikanten Einfluss auf das Risiko, Alzheimer oder Parkinson zu entwickeln, wobei zahlreiche genetische Marker identifiziert wurden.

Maschinelles Lernen nutzen

Maschinelles Lernen hat die Analyse von Gehirnscans und anderen komplexen Daten revolutioniert. Zum Beispiel können Techniken, die Gehirnbilder von MRT-Scans verwenden, helfen, Alzheimer genau zu diagnostizieren, nachdem Symptome aufgetreten sind. Sie können auch den Übergang von leichten kognitiven Beeinträchtigungen zu Alzheimer vorhersagen, noch bevor die Erkrankung klinisch diagnostiziert wird. Diese Methoden haben sich hauptsächlich darauf konzentriert, zwischen gesunden Personen und denen mit den Krankheiten zu unterscheiden, anstatt ein detaillierteres Spektrum der Schwere der Erkrankung zu erkunden.

Trotz des Fortschritts gab es Einschränkungen bei der Validierung von Erkenntnissen mit externen Datensätzen. Während MRT-Scans für die Untersuchung von Alzheimer beliebt sind, wird ihre Verwendung bei Parkinson weniger häufig angewendet, da detailliertere Merkmale nötig sind, um die am stärksten betroffene Gehirnregion bei Parkinson, die Substantia Nigra, zu analysieren.

Neue Metriken entwickeln

Durch die Kombination von MRT-Bildern mit genetischen Risikodaten wollen Forscher bessere Vorhersagen hinsichtlich der Entwicklung oder Überwachung dieser Krankheiten erstellen. Diese Studie untersucht, wie maschinelles Lernen helfen kann, quantitative Masse für Alzheimer und Parkinson aus Gehirnscans zu entwickeln. Sie überprüft auch, wie diese neuen Masse mit klinischen Ergebnissen sowohl vor als auch nach der Diagnose in Zusammenhang stehen.

Das Ziel ist zu verstehen, wie Bildgebungswerte zusammen mit genetischen Informationen helfen können, die Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, dass jemand später im Leben diese Krankheiten entwickelt. Nach einer Diagnose werden die Forscher untersuchen, wie Bildgebungswerte den Verlauf der Erkrankung verfolgen können, wobei etablierte klinische Tests als Massstab dienen.

Forschungsmethodik

Diese Forschung umfasste spezifische Gruppen von Patienten, die entweder mit Alzheimer oder Parkinson diagnostiziert wurden, sowie eine grössere externe Datenbank. Detaillierte Gehirnbilddaten wurden gesammelt und analysiert, um Klassifikationsmodelle zu entwickeln, die das Krankheitsrisiko auf Basis dieser Bilder bestimmen können.

Im Fall von Alzheimer wurde ein Datensatz namens Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative verwendet, der über 700 Menschen mit Demenz und etwa 900 gesunde Personen umfasste. Für Parkinson wurde eine andere Datengruppe mit über 300 diagnostizierten Patienten und rund 140 gesunden Personen verwendet. Darüber hinaus wurde eine grosse Datenbank, die UK Biobank, untersucht, die Bilddaten von über 42.000 Teilnehmern aus verschiedenen Hintergründen umfasst.

Die Forscher setzten mehrere Techniken des maschinellen Lernens ein, um die Vorhersagegenauigkeit des Klassifikationsmodells zu maximieren. Sie bewerteten auch sorgfältig, wie sich diese Bildgebungswerte auf etablierte klinische Benchmarks beziehen, die helfen können, die Schwere jeder Erkrankung zu bestimmen.

Wichtige Ergebnisse

Bildgebungswerte und Krankheitsrisiko

Die Studie lieferte überzeugende Ergebnisse, die zeigten, dass Bildgebungswerte Risiken vorhersagen können, die mit der Entwicklung von Alzheimer oder Parkinson verbunden sind. Diese Werte stehen in engem Zusammenhang mit beobachteten Veränderungen in der Gehirnstruktur. Zum Beispiel hatten Personen mit höheren Bildgebungswerten eine grössere Wahrscheinlichkeit, mit Demenz oder Parkinson diagnostiziert zu werden.

Die Bedeutung der Bildgebungswerte war offensichtlich, wobei die Ergebnisse nahelegten, dass diejenigen in den höchsten Risikovierteln erheblich schlechtere Ergebnisse hatten als die in niedrigeren Vierteln. Solche Werte können auch nützlich sein, um Personen zu identifizieren, die von leichten kognitiven Beeinträchtigungen zu Demenz übergehen.

Leistung des Klassifikationsmodells

Die während der Studie entwickelten Modelle des maschinellen Lernens zeigten, dass sie effektiv zwischen gesunden Personen und solchen mit Demenz unterscheiden konnten. Für Alzheimer hatte das Modell eine hohe Genauigkeitsrate, während die Leistung für Parkinson bescheidener, aber dennoch bemerkenswert war.

Klinische Anwendungen

Die neuen Bildgebungswerte standen in Verbindung mit standardisierten klinischen Bewertungen und Biomarkern des Krankheitsverlaufs. Bei Alzheimer wurde eine starke Verbindung zu anerkannten klinischen Tests wie der Montreal Cognitive Assessment und der Alzheimer’s Disease Assessment Scale festgestellt. Während die Assoziationen für Parkinson-Werte weniger robust waren, hoben sie dennoch das Potenzial hervor, Bildgebungswerte in klinischen Kontexten zu nutzen.

Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die Nutzung von MRT zur Erstellung von Krankheitswerten eine bedeutende Rolle bei der Prä-Diagnose und der laufenden Überwachung neurodegenerativer Krankheiten spielen könnte.

Zukünftige Perspektiven

Die Studie hebt die Notwendigkeit hervor, verschiedene Datentypen zu integrieren, um die Krankheitsdetektion und -behandlung zu verbessern. Während Bildgebungswerte wertvolle Einblicke bieten, sind sie nur ein Teil des Puzzles. Die Einbeziehung von Verhaltens-, klinischen und genetischen Daten kann ein umfassenderes Verständnis des Zustands jedes Patienten liefern.

Mit dem Fortschritt der Technologie und der zunehmenden Verbreitung und Erschwinglichkeit der Gehirnbildgebung verbessern sich die Aussichten zur Verfolgung der Gehirngesundheit in Hochrisikopopulationen. Diese Bildgebungswerte könnten frühzeitige Interventionen erleichtern und die Effektivität klinischer Studien erhöhen, indem sichergestellt wird, dass die Teilnehmer in Bezug auf den Krankheitsverlauf homogener sind.

Fazit

Die Studie betont das Potenzial von maschinellem Lernen, neue Möglichkeiten zur Bewertung von neurodegenerativen Krankheiten mithilfe von Gehirnbilddaten zu schaffen. Die Forscher erkennen an, dass diese Störungen komplex und vielschichtig sind, und plädieren dafür, mehrere Datentypen zu nutzen, um die Erkennung und die Ergebnisse zu verbessern.

Durch die Entwicklung objektiver Masse legt diese Arbeit den Grundstein für zukünftige Forschung und praktische Anwendungen in klinischen Einrichtungen. Letztendlich wird die Kombination verschiedener Datenquellen einen ganzheitlicheren Ansatz zur Bewältigung der Herausforderungen von Alzheimer und Parkinson bieten, was letztendlich den Patienten, Forschern und dem Gesundheitswesen zugutekommt.

Originalquelle

Titel: Prediction, prognosis and monitoring of neurodegeneration at biobank-scale via machine learning and imaging

Zusammenfassung: BackgroundAlzheimers disease and related dementias (ADRD) and Parkinsons disease (PD) are the most common neurodegenerative conditions. These central nervous system disorders impact both the structure and function of the brain and may lead to imaging changes that precede symptoms. Patients with ADRD or PD have long asymptomatic phases that exhibit significant heterogeneity. Hence, quantitative measures that can provide early disease indicators are necessary to improve patient stratification, clinical care, and clinical trial design. This work uses machine learning techniques to derive such a quantitative marker from T1-weighted (T1w) brain Magnetic resonance imaging (MRI). MethodsIn this retrospective study, we developed machine learning (ML) based disease-specific scores based on T1w brain MRI utilizing Parkinsons Disease Progression Marker Initiative (PPMI) and Alzheimers Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) cohorts. We evaluated the potential of ML-based scores for early diagnosis, prognosis, and monitoring of ADRD and PD in an independent large-scale population-based longitudinal cohort, UK Biobank. Findings1,826 dementia images from 731 participants, 3,161 healthy control images from 925 participants from the ADNI cohort, 684 PD images from 319 participants, and 232 healthy control images from 145 participants from the PPMI cohort were used to train machine learning models. The classification performance is 0.94 [95% CI: 0.93-0.96] area under the ROC Curve (AUC) for ADRD detection and 0.63 [95% CI: 0.57-0.71] for PD detection using 790 extracted structural brain features. The most predictive regions include the hippocampus and temporal brain regions in ADRD and the substantia nigra in PD. The normalized ML models probabilistic output (ADRD and PD imaging scores) was evaluated on 42,835 participants with imaging data from the UK Biobank. There are 66 cases for ADRD and 40 PD cases whose T1 brain MRI is available during pre-diagnostic phases. For diagnosis occurrence events within 5 years, the integrated survival model achieves a time-dependent AUC of 0.86 [95% CI: 0.80-0.92] for dementia and 0.89 [95% CI: 0.85-0.94] for PD. ADRD imaging score is strongly associated with dementia-free survival (hazard ratio (HR) 1.76 [95% CI: 1.50-2.05] per S.D. of imaging score), and PD imaging score shows association with PD-free survival (hazard ratio 2.33 [95% CI: 1.55-3.50]) in our integrated model. HR and prevalence increased stepwise over imaging score quartiles for PD, demonstrating heterogeneity. As a proxy for diagnosis, we validated AD/PD polygenic risk scores of 42,835 subjects against the imaging scores, showing a highly significant association after adjusting for covariates. In both the PPMI and ADNI cohorts, the scores are associated with clinical assessments, including the Mini-Mental State Examination (MMSE), Alzheimers Disease Assessment Scale-cognitive subscale (ADAS-Cog), and pathological markers, which include amyloid and tau. Finally, imaging scores are associated with polygenic risk scores for multiple diseases. Our results suggest that we can use imaging scores to assess the genetic architecture of such disorders in the future. InterpretationOur study demonstrates the use of quantitative markers generated using machine learning techniques for ADRD and PD. We show that disease probability scores obtained from brain structural features are useful for early detection, prognosis prediction, and monitoring disease progression. To facilitate community engagement and external tests of model utility, an interactive app to explore summary level data from this study and dive into external data can be found here https://ndds-brainimaging-ml.streamlit.app. As far as we know, this is the first publicly available cloud-based MRI prediction application. FundingUS National Institute on Aging, and US National Institutes of Health. Research in contextO_ST_ABSEvidence before this studyC_ST_ABSWe searched PubMed for articles published in English from database inception to May 11, 2023, about the use of machine learning on brain imaging data for Alzheimers disease (AD), dementia, and Parkinsons disease (PD) populations. We used search terms "machine learning" AND "brain imaging" AND "neurodegenerative disorders" AND "quantitative biomarkers". The search identified 25 studies. Most of these studies are focused on Alzheimers disease. They use machine learning to predict conversion from mild cognitive impairment to dementia or to build a classification tool. Many studies also focused on positron emission tomography (PET) images rather than cost-effective T1w MRI images in their analysis. None of the studies have focused on detecting disease during the asymptomatic phase of dementia and PD. Identified studies are limited in sample size (order of hundred samples) and extracted features. The assessments of the clinical utility of machine learning models predicted disease probabilities are scarce. Significantly, no attempts were made to validate the algorithm in an external cohort. In this work, we have limited our review to scientific studies that are transparent and reproducible, including those that provide code and validate their findings on a reasonable sample size. Added value of this studyThis study developed machine learning based quantitative scores to measure the risk, severity, and prognosis of Alzheimers disease and related dementias (ADRD) and Parkinsons disease (PD) using brain imaging data. Neurodegenerative disorders affect multiple body functions and exhibit significant etiology and clinical presentation variation. Patients with these conditions may experience prolonged asymptomatic periods. Disease-modifying therapies are most effective during the early asymptomatic stage of the disease, making early intervention a crucial factor. However, the lack of biomarkers for early diagnosis and disease progression monitoring remains a significant obstacle to achieving this goal. We leveraged disease-specific cohorts ADNI (1,826 images from 731 dementia participants) and PPMI (684 images from 329 PD participants) to develop a machine learning classifier for AD and PD detection using T1w brain imaging data. We obtain disease-specific imaging scores from these trained models using the normalized disease probability score. In a sizable external biobank, UK Biobank (42,835 participants), we found these scores show strong predictive power in determining the occurrence of PD or dementia during a 5-year followup. The occurrence of PD increased stepwise over ascending imaging score quantiles representing heterogeneity within the PD population. Imaging scores are also associated with pathological and clinical assessment measures. Our study indicates this could be a single numeric indicator representing disease-specific abnormality in T1w brain imaging modality. The association of imaging scores with the polygenic risk score of related disorders implies the genetic basis of these scores. We also identified top brain regions associated with dementia and Parkinsons disease using feature interpretation tools. Implications of all the available evidenceThe findings should improve our ability to create practical passive surveillance plans for individuals with a heightened risk of occurrence of neurodegenerative disease. We have shown that imaging scores complement other risk factors, such as age and polygenic risk scores for early detection. The integrated model could serve as a tool for early interventions and study enrollment. Understanding the genetic basis of imaging scores can provide valuable insights into the biology of neurodegenerative disorders. Additionally, these high-accuracy models able to facilitate accurate early detection at the biobank scale can empower precision medicine trial recruitment strategies as well as paths of care for the future. We have included the development of an interactive web server (https://ndds-brainimaging-ml.streamlit.app) that empowers the community to process their own data based on our models and explore the utility and applicability of these findings for themselves. Users can easily upload a Nifti or DICOM file containing their MRI image, and we handle the entire pre-processing and prediction process. All computations are performed on the Google Cloud Platform. In addition, we provide an interpretation of the ML prediction highlighting areas of the brain that have contributed to the decision and a what-if-analysis tool where users explore different scenarios and their effect on prediction.

Autoren: Faraz Faghri, A. Dadu, M. Ta, N. J. Tustison, A. Daneshmand, K. Marek, A. B. Singleton, R. H. Campbell, M. A. Nalls, H. Iwaki, B. Avants

Letzte Aktualisierung: 2024-10-28 00:00:00

Sprache: English

Quell-URL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.10.27.24316215

Quell-PDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.10.27.24316215.full.pdf

Lizenz: https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/

Änderungen: Diese Zusammenfassung wurde mit Unterstützung von AI erstellt und kann Ungenauigkeiten enthalten. Genaue Informationen entnehmen Sie bitte den hier verlinkten Originaldokumenten.

Vielen Dank an medrxiv für die Nutzung seiner Open-Access-Interoperabilität.

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