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# Ciencias de la Salud# Neurología

Avances en la detección de enfermedades neurodegenerativas

Nuevos métodos buscan mejorar la detección temprana del Alzheimer y el Parkinson.

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

― 7 minilectura


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Tabla de contenidos

La Neurodegeneración describe un declive gradual en la salud y función de las células nerviosas o neuronas en el cerebro. Esto puede llevar a varios trastornos, siendo la Enfermedad de Alzheimer y la Enfermedad de Parkinson las más comunes. Ambas condiciones impactan a millones de personas en todo el mundo. La enfermedad de Alzheimer afecta principalmente la memoria y la cognición, mientras que la enfermedad de Parkinson impacta más el movimiento y las habilidades motoras. Sin embargo, ambas condiciones afectan no solo el cerebro, sino también el cuerpo.

La Complejidad de los Trastornos

Tanto la enfermedad de Alzheimer como la enfermedad de Parkinson presentan una amplia gama de síntomas que pueden diferir significativamente de persona a persona. Esta variabilidad puede depender de factores como el nivel educativo de la persona, la edad en que empiezan los síntomas, qué tan rápido progresa la enfermedad y la mezcla de síntomas motores y no motores presentes. Por esta diversidad, ya no podemos clasificar estas enfermedades simplemente en dos grupos separados. En cambio, se ven como parte de un espectro de trastornos. Por lo tanto, se necesitan nuevos métodos para evaluar la probabilidad y riesgo de estas enfermedades.

La Importancia de la Detección Temprana

Detectar enfermedades neurodegenerativas temprano es crucial. A menudo, estas enfermedades tienen una fase larga donde no hay síntomas presentes. Identificar la enfermedad durante esta etapa puede mejorar la efectividad de los tratamientos destinados a ralentizar la progresión. Cambios en la estructura del cerebro podrían ya estar ocurriendo antes de que aparezcan los síntomas. Además, factores genéticos influyen significativamente en el riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer o Parkinson, con numerosos marcadores genéticos identificados.

Aprovechando el Aprendizaje automático

El aprendizaje automático ha sido un gran cambio en el análisis de escaneos cerebrales y otros datos complejos. Por ejemplo, técnicas que usan imágenes cerebrales de resonancias magnéticas pueden ayudar a diagnosticar la enfermedad de Alzheimer con precisión después de que aparezcan los síntomas. También pueden predecir la transición de un deterioro cognitivo leve a la enfermedad de Alzheimer incluso antes de que la condición sea diagnosticada clínicamente. Estos métodos se han centrado principalmente en distinguir entre individuos sanos y aquellos con las enfermedades, en lugar de explorar un espectro más detallado de la gravedad de la enfermedad.

A pesar del progreso, ha habido limitaciones en validar los hallazgos usando conjuntos de datos externos. Aunque las resonancias magnéticas son populares para estudiar la enfermedad de Alzheimer, su uso para la enfermedad de Parkinson es menos común, ya que se necesitan características más detalladas para analizar el área del cerebro más afectada en Parkinson, conocida como la sustancia negra.

Desarrollo de Nuevas Métricas

Al combinar la imagen de resonancia magnética con datos de riesgo genético, los investigadores buscan crear mejores predicciones sobre el desarrollo o monitorización de estas enfermedades. Este estudio explora cómo el aprendizaje automático puede ayudar a crear medidas cuantitativas de la enfermedad de Alzheimer y Parkinson a partir de escaneos cerebrales. También se examina cómo estas nuevas medidas pueden relacionarse con resultados clínicos tanto antes como después del diagnóstico.

El objetivo es entender cómo las puntuaciones de imagen, junto con la información genética, pueden ayudar a predecir la probabilidad de que alguien desarrolle estas enfermedades más adelante en la vida. Después de un diagnóstico, los investigadores investigarán cómo las puntuaciones de imagen pueden rastrear el progreso de la enfermedad, utilizando pruebas clínicas establecidas como referencia.

Metodología de Investigación

Esta investigación incluyó grupos específicos de pacientes diagnosticados con enfermedad de Alzheimer o Parkinson, así como una base de datos externa más grande. Se recolectaron y analizaron datos detallados de imágenes cerebrales para desarrollar modelos de clasificación que pudieran determinar el riesgo de enfermedad basado en estas imágenes.

En el caso de la enfermedad de Alzheimer, se utilizó un conjunto de datos llamado la Iniciativa de Neuroimagen de la Enfermedad de Alzheimer, que incluyó a más de 700 personas diagnosticadas con demencia y alrededor de 900 individuos sanos. Para la enfermedad de Parkinson, el estudio usó otro grupo de datos con más de 300 pacientes diagnosticados y alrededor de 140 individuos sanos. Además, se examinó una gran base de datos, el Biobanco del Reino Unido, que incluía datos de imagen de más de 42,000 participantes de diversos orígenes.

Los investigadores utilizaron múltiples técnicas de aprendizaje automático para maximizar el rendimiento predictivo del modelo de clasificación. También evaluaron cuidadosamente cómo estas puntuaciones de imagen se relacionaban con los puntos de referencia clínicos establecidos, lo que puede ayudar a determinar la gravedad de cada condición.

Hallazgos Clave

Puntuaciones de Imagen y Riesgo de Enfermedad

El estudio produjo resultados convincentes, mostrando que las puntuaciones de imagen podrían predecir los riesgos asociados con el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer o Parkinson. Estas puntuaciones están estrechamente ligadas a los cambios observados en la estructura cerebral. Por ejemplo, las personas con puntuaciones de imagen más altas mostraron una mayor probabilidad de ser diagnosticadas con demencia o enfermedad de Parkinson.

La importancia de las puntuaciones de imagen fue evidente, con hallazgos que sugieren que aquellos en los cuartiles de mayor riesgo tuvieron resultados significativamente peores en comparación con aquellos en cuartiles más bajos. Estas puntuaciones también pueden ser útiles para identificar a las personas que están en transición de un deterioro cognitivo leve a demencia.

Rendimiento del Modelo de Clasificación

Los modelos de aprendizaje automático desarrollados durante el estudio demostraron que podían diferenciar efectivamente entre individuos sanos y aquellos con demencia. Para la enfermedad de Alzheimer, el modelo tuvo una alta tasa de precisión, mientras que el rendimiento para la enfermedad de Parkinson fue más modesto, pero aún notable.

Aplicaciones Clínicas

Las nuevas puntuaciones de imagen se asociaron con evaluaciones clínicas estándar y biomarcadores de progresión de la enfermedad. Para la enfermedad de Alzheimer, se notó una fuerte conexión con pruebas clínicas bien reconocidas como la Evaluación Cognitiva de Montreal y la Escala de Evaluación de la Enfermedad de Alzheimer. Si bien las asociaciones para las puntuaciones de Parkinson fueron menos robustas, aún subrayaron el potencial de usar las puntuaciones de imagen en contextos clínicos.

En general, estos hallazgos indican que utilizar resonancias magnéticas para generar puntuaciones de enfermedad podría desempeñar un papel significativo en la prediagnosis y el monitoreo continuo de enfermedades neurodegenerativas.

Perspectivas Futuras

El estudio destaca la necesidad de integrar varios tipos de datos para mejorar la detección y tratamiento de enfermedades. Aunque las puntuaciones de imagen ofrecen información valiosa, solo son una parte del rompecabezas. Incluir datos de comportamiento, clínicos y genéticos puede proporcionar una comprensión más completa de la condición de cada paciente.

A medida que la tecnología avanza y la imagen cerebral se vuelve más generalizada y asequible, las perspectivas para rastrear la salud cerebral en poblaciones de alto riesgo mejoran. Estas puntuaciones de imagen podrían facilitar la intervención temprana y mejorar la efectividad de los ensayos clínicos al asegurar que los participantes sean más homogéneos en términos de progresión de la enfermedad.

Conclusión

El estudio enfatiza el potencial del aprendizaje automático para crear nuevas formas de evaluar enfermedades neurodegenerativas utilizando datos de imagen cerebral. Reconociendo que estos trastornos son complejos y multifacéticos, los investigadores abogan por utilizar múltiples tipos de datos para mejorar la detección y los resultados.

Al desarrollar medidas objetivas, este trabajo establece las bases para futuras investigaciones y aplicaciones prácticas en entornos clínicos. En última instancia, combinar diversas fuentes de datos proporcionará un enfoque más holístico para abordar los desafíos de las enfermedades de Alzheimer y Parkinson, beneficiando a pacientes, investigadores y al sistema de salud en general.

Fuente original

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

Resumen: 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.

Autores: 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

Última actualización: Oct 28, 2024

Idioma: English

Fuente URL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.10.27.24316215

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

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