Tekoälytyökalu paljastaa sukupuolieroja aivojen rakenteessa

Uuden tutkimuksen mukaan tekoälyyn (AI) perustuvat tietokoneohjelmat, jotka käsittelevät magneettikuvauksia, paljastavat eroja miesten ja naisten aivojen solutasolla. Näitä eroja havaittiin valkeassa aineessa, kudoksessa, jota esiintyy enimmäkseen ihmisaivojen sisäkerroksessa ja joka helpottaa alueiden välistä kommunikaatiota.

Miehet ja naiset kärsivät tunnetusti eri tavoin multippeliskleroosista, autismin kirjon häiriöstä, migreenistä ja muista aivo-ongelmista, ja heillä on erilaisia oireita. Yksityiskohtaista ymmärrystä siitä, miten biologinen sukupuoli vaikuttaa aivoihin, pidetään keinona parantaa diagnostisia työkaluja ja hoitoja. Vaikka aivojen kokoa, muotoa ja painoa on tutkittu, tutkijoilla on vain osittainen käsitys niiden rakenteesta solutasolla.

NYU Langone Healthin tutkijoiden johtamassa uudessa tutkimuksessa käytettiin koneoppimiseksi kutsuttua tekoälytekniikkaa analysoimaan tuhansia 471 miehen ja 560 naisen aivojen magneettikuvauksia. Tulokset osoittivat, että tietokoneohjelmat pystyivät erottamaan tarkasti miesten ja naisten aivot toisistaan ja tunnistamaan rakenteellisia ja monimutkaisia malleja, jotka olivat ihmissilmälle näkymättömiä.

Tulokset vahvistettiin kolmella eri tekoälymallilla, jotka oli suunniteltu määrittämään biologinen sukupuoli. Mallit käyttivät hyväkseen niiden suhteellisia vahvuuksia joko keskittymällä pieniin valkean aineen alueisiin tai analysoimalla yhteyksiä aivojen laajoilla alueilla.

”Tuloksemme antavat selkeämmän kuvan elävän ihmisen aivojen rakenteesta, mikä voi tarjota uusia näkemyksiä siitä, kuinka monia psykiatrisia ja neurologisia häiriöitä kehittyy ja miksi ne voivat ilmetä eri tavoin miehillä ja naisilla”, sanoo tutkimuksen johtava kirjoittaja ja neuroradiologi Yvonne Lui.

Lui, professori ja tutkimuksen varajohtaja NYU Grossman School of Medicinen radiologian laitoksella, huomauttaa, että aiemmat aivojen mikrorakennetta koskevat tutkimukset ovat nojanneet vahvasti eläinmalleihin ja ihmiskudosnäytteisiin. Lisäksi joidenkin näiden aiempien havaintojen pätevyyttä on kyseenalaistettu käyttämällä tilastollisia analyysejä "käsin piirretyistä" kiinnostuksen kohteena olevista alueista, mikä vaati tutkijoilta monia subjektiivisia päätöksiä valitsemiensa alueiden muodosta, koosta ja sijainnista. Tällaiset valinnat voisivat vääristää tuloksia, Lui sanoo.

Uuden tutkimuksen tulokset välttivät tämän ongelman käyttämällä koneoppimista analysoimaan kokonaisia kuvaryhmiä käskemättä tietokonetta tarkastelemaan tiettyä sijaintia, mikä auttoi poistamaan ihmisen ennakkoluuloja, kirjoittajat huomauttavat.

Tutkimuksessa tiimi aloitti syöttämällä tekoälyohjelmille olemassa olevaa dataa, joka koostui esimerkiksi terveiden miesten ja naisten aivojen MRI-kuvauksista, sekä kunkin kuvan biologisen sukupuolen. Koska nämä mallit oli suunniteltu käyttämään kehittyneitä tilastollisia ja matemaattisia menetelmiä "älykkäämmiksi" ajan myötä tiedon kertyessä, ne lopulta "oppivat" erottamaan biologisen sukupuolen itse. Luin mukaan tärkeää oli, että ohjelmat eivät saaneet käyttää aivojen kokonaiskokoa ja -muotoa määrityksissään.

Tulosten mukaan kaikki mallit tunnistivat skannausten sukupuolen oikein 92–98 prosentissa tapauksista. Useat ominaisuudet auttoivat koneita tekemään johtopäätöksensä, mukaan lukien se, kuinka helposti ja mihin suuntaan vesi pystyi liikkumaan aivokudoksen läpi.

"Nämä löydökset korostavat monimuotoisuuden merkitystä tutkittaessa ihmisen aivoista peräisin olevia sairauksia", sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja, tohtoriopiskelija Junbo Chen NYU Tandon School of Engineeringistä.

"Jos, kuten historiallisesti on tapana, miehiä käytetään erilaisten häiriöiden standardimallina, tutkijat saattavat menettää tärkeitä oivalluksia", lisäsi tutkimuksen toinen kirjoittaja, NYU Tandon School of Engineeringin jatko-opiskelija Vara Lakshmi Bayanagari.

Bayanagari varoittaa, että vaikka tekoälytyökalut pystyivät raportoimaan eroja aivosolujen organisaatiossa, ne eivät pystyneet tunnistamaan, kumpi sukupuoli oli alttiimpi millekin piirteelle. Hän lisää, että tutkimuksessa sukupuoli luokiteltiin geneettisen tiedon perusteella ja mukaan otettiin vain cissukupuolisten miesten ja naisten magneettikuvaukset.

Tutkimusryhmä aikoo tutkia lisää sukupuolten välisten erojen kehittymistä aivojen rakenteessa ajan myötä ymmärtääkseen paremmin ympäristöllisten, hormonaalisten ja sosiaalisten tekijöiden roolia näissä muutoksissa, kirjoittajat sanovat.

Työ julkaistiin Scientific Reports -lehdessä.