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Avancées dans la détection des maladies neurodégénératives

De nouvelles méthodes visent à améliorer la détection précoce des maladies d'Alzheimer et de 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

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Table des matières

La Neurodégénérescence désigne un déclin progressif de la santé et du fonctionnement des cellules nerveuses ou neurones dans le cerveau. Ça peut entraîner divers troubles, la maladie d’Alzheimer et la Maladie de Parkinson étant les plus courants. Ces deux conditions touchent des millions de personnes à travers le monde. La maladie d’Alzheimer affecte principalement la mémoire et la cognition, tandis que la maladie de Parkinson impacte surtout le mouvement et les compétences motrices. Mais en fait, ces deux conditions touchent non seulement le cerveau, mais aussi le corps.

La complexité des troubles

La maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson montrent une grande variété de symptômes qui peuvent différer pas mal d'une personne à l'autre. Cette variabilité peut dépendre de facteurs comme le niveau d'éducation, l'âge d'apparition des symptômes, la rapidité avec laquelle la maladie progresse, et le mélange de symptômes moteurs et non moteurs présents. À cause de cette diversité, on ne peut plus classer ces maladies simplement en deux groupes séparés. Elles sont plutôt vues comme faisant partie d'un spectre de troubles. Donc, il faut de nouvelles méthodes pour évaluer la probabilité et le risque de ces maladies.

L'importance de la détection précoce

Détecter les maladies neurodégénératives tôt, c'est super important. Souvent, ces maladies ont une longue phase où aucun symptôme n'est présent. Identifier la maladie pendant cette étape peut améliorer l’efficacité des traitements pour ralentir la progression. Des changements dans la structure du cerveau peuvent déjà se produire avant même que des symptômes apparaissent. En plus, des facteurs génétiques influencent beaucoup le risque de développer la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson, avec plein de marqueurs génétiques identifiés.

Profiter de l'Apprentissage automatique

L'apprentissage automatique a changé la donne pour analyser les scans cérébraux et d'autres données complexes. Par exemple, des techniques utilisant des images cérébrales d'IRM peuvent aider à diagnostiquer la Maladie d'Alzheimer avec précision une fois que les symptômes apparaissent. Elles peuvent aussi prédire la transition d'un léger trouble cognitif à Alzheimer avant même que la condition ne soit diagnostiquée cliniquement. Ces méthodes se sont surtout concentrées sur la distinction entre les individus sains et ceux atteints de la maladie, plutôt que d'explorer un spectre plus détaillé de la gravité de la maladie.

Malgré les progrès, il y a eu des limitations dans la validation des résultats en utilisant des ensembles de données externes. Les IRM sont populaires pour étudier la maladie d’Alzheimer, mais leur utilisation pour la maladie de Parkinson est moins courante, car il faut des caractéristiques plus détaillées pour analyser la zone du cerveau la plus affectée dans Parkinson, connue sous le nom de substance noire.

Développer de nouveaux critères

En combinant l'imagerie par IRM avec des données de risque génétique, les chercheurs cherchent à créer de meilleures prédictions concernant le développement ou le suivi de ces maladies. Cette étude explore comment l'apprentissage automatique peut aider à créer des mesures quantitatives de la maladie d'Alzheimer et de Parkinson à partir de scans cérébraux. Elle examine aussi comment ces nouvelles mesures peuvent se rapporter aux résultats cliniques avant et après le diagnostic.

L'objectif, c'est de comprendre comment les scores d'imagerie, avec des infos génétiques, peuvent aider à prédire la probabilité que quelqu'un développe ces maladies plus tard dans la vie. Après un diagnostic, les chercheurs vont étudier comment les scores d'imagerie pourraient suivre la progression de la maladie, en utilisant des tests cliniques établis comme référence.

Méthodologie de recherche

Cette recherche a inclus des groupes spécifiques de patients diagnostiqués avec la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson, ainsi qu'une base de données externe plus large. Des données détaillées d'imagerie cérébrale ont été collectées et analysées pour développer des modèles de classification qui pourraient déterminer le risque de maladie basé sur ces images.

Pour la maladie d’Alzheimer, un ensemble de données appelé l'Initiative de neuroimagerie de la maladie d'Alzheimer a été utilisé, comprenant plus de 700 personnes diagnostiquées avec des démences et environ 900 individus sains. Pour la maladie de Parkinson, l'étude a utilisé un autre groupe de données avec plus de 300 patients diagnostiqués et environ 140 individus sains. En plus, une grande base de données, le UK Biobank, a aussi été examinée, incluant des données d'imagerie de plus de 42 000 participants de divers horizons.

Les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques d'apprentissage automatique pour maximiser la performance prédictive du modèle de classification. Ils ont aussi soigneusement évalué comment ces scores d'imagerie se rapportaient à des benchmarks cliniques établis, ce qui peut aider à déterminer la gravité de chaque condition.

Résultats clés

Scores d'imagerie et risque de maladie

L'étude a produit des résultats convaincants, montrant que les scores d'imagerie pouvaient prédire les risques associés au développement de la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson. Ces scores sont étroitement liés aux changements observés dans la structure du cerveau. Par exemple, les personnes avec des scores d'imagerie plus élevés avaient plus de chances d'être diagnostiquées avec une démence ou la maladie de Parkinson.

L'importance des scores d'imagerie était évidente, avec des résultats suggérant que ceux dans les quartiles de risque les plus élevés avaient des issues nettement pires par rapport à ceux des quartiles inférieurs. De tels scores peuvent aussi être utiles pour identifier les individus passant d'un léger trouble cognitif à la démence.

Performance du modèle de classification

Les modèles d'apprentissage automatique développés durant l'étude ont démontré qu'ils pouvaient différencier efficacement entre les individus sains et ceux avec une démence. Pour la maladie d’Alzheimer, le modèle avait un taux de précision élevé, tandis que la performance pour la maladie de Parkinson était plus modeste mais tout de même notoire.

Applications cliniques

Les nouveaux scores d'imagerie étaient associés à des évaluations cliniques standard et à des biomarqueurs de progression de la maladie. Pour la maladie d’Alzheimer, une forte connexion a été notée avec des tests cliniques bien reconnus comme l’évaluation cognitive de Montréal et l'échelle d'évaluation de la maladie d'Alzheimer. Bien que les associations pour les scores de la maladie de Parkinson étaient moins robustes, elles ont tout de même mis en lumière le potentiel d'utilisation des scores d'imagerie dans des contextes cliniques.

Globalement, ces résultats indiquent que l'utilisation de l'IRM pour générer des scores de maladie pourrait jouer un rôle significatif dans le pré-diagnostic et le suivi des maladies neurodégénératives.

Perspectives futures

L'étude met en avant la nécessité d'intégrer divers types de données pour améliorer la détection et le traitement des maladies. Bien que les scores d'imagerie offrent des aperçus précieux, ils ne sont qu'une pièce du puzzle. Inclure des données comportementales, cliniques et génétiques peut fournir une compréhension plus complète de l'état de chaque patient.

Avec l'avancement de la technologie et l'augmentation de la disponibilité et de l'accessibilité de l'imagerie cérébrale, les perspectives pour suivre la santé cérébrale dans les populations à haut risque s'améliorent. Ces scores d'imagerie pourraient faciliter l'intervention précoce et améliorer l'efficacité des essais cliniques en s'assurant que les participants soient plus homogènes en termes de progression de la maladie.

Conclusion

L'étude souligne le potentiel de l'apprentissage automatique pour créer de nouvelles façons d'évaluer les maladies neurodégénératives en utilisant des données d'imagerie cérébrale. Reconnaissant que ces troubles sont complexes et multifacettes, les chercheurs plaident pour l'utilisation de multiples types de données pour améliorer la détection et les résultats.

En développant des mesures objectives, ce travail jette les bases pour de futures recherches et des applications pratiques dans des contextes cliniques. Finalement, combiner diverses sources de données offrira une approche plus holistique pour traiter les défis des maladies d’Alzheimer et de Parkinson, profitant ainsi aux patients, aux chercheurs et au système de santé en général.

Source originale

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

Résumé: 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.

Auteurs: 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

Dernière mise à jour: 2024-10-28 00:00:00

Langue: English

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

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

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

Changements: Ce résumé a été créé avec l'aide de l'IA et peut contenir des inexactitudes. Pour obtenir des informations précises, veuillez vous référer aux documents sources originaux dont les liens figurent ici.

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