Machine learning identifiziert personalisierten Gehirn-Netzwerke bei Kindern

Machine learning ist zu helfen, Penn Medicine Forscher identifizieren, die Größe und die Form von Gehirn-Netzwerken in einzelnen Kinder, die nützlich sein können für das Verständnis von psychiatrischen Erkrankungen. In einer neuen Studie veröffentlicht heute in der Zeitschrift Neuron, ein multidisziplinäres team zeigte, wie Gehirn-Netzwerke, die einzigartig für jedes Kind kann Vorhersagen Wahrnehmung. Die Studie—die verwendeten machine learning-Techniken zu analysieren, die funktionale Magnet-Resonanz-Bildgebung (fMRI) scans von fast 700 Kinder, Jugendliche und junge Erwachsene—ist die erste zu zeigen, dass die funktionelle Neuroanatomie stark variieren kann, bei den Kindern, und verfeinert sich während der Entwicklung.

Das menschliche Gehirn hat ein Muster von Falten und Graten auf seiner Oberfläche, die materielle Orientierungspunkte für die Suche nach Hirnarealen, die. Die funktionellen Netzwerke, die für Wahrnehmung haben lange studiert worden, in den Menschen durch die Schlange, Aktivierungs-Muster—die software des Gehirns—die hardware dieser geländepunkte. Dieser Prozess ist allerdings davon ausgegangen, dass die Funktionen des Gehirns sind, die sich auf die gleichen Orientierungspunkte in jeder person. Dies funktioniert gut für viele einfache Gehirn-Systeme, zum Beispiel, die motor Steuerung der Bewegung ist in der Regel rechts neben der gleichen spezifischen Fach in jeder person. Jedoch mehrere neuere Studien bei Erwachsenen haben gezeigt, dies ist nicht der Fall bei komplexeren Gehirn-Systeme verantwortlich für die executive-Funktion—eine Reihe von psychischen Prozessen, die beinhaltet selbst-Kontrolle und Aufmerksamkeit. In diesen Systemen, die funktionale Netzwerke nicht immer line-up mit dem Gehirn geländepunkte von Falten und Graten. Statt, jeder Erwachsene hat seine eigenen spezifischen layout. Bis jetzt war es unklar, wie eine solche person-spezifische Netzwerke verändern könnten, wie Kinder aufwachsen, oder Sie beziehen sich in leitender Funktion.

„Das spannende an dieser Arbeit ist, dass wir jetzt in der Lage zu identifizieren, die die räumliche Anordnung der funktionellen Netzwerke in den einzelnen Kinder, anstatt uns auf alle, die mit dem gleichen“ one-size-fits-all “ – Ansatz,“, sagte senior-Autor Theodore D. Satterthwaite, MD, assistant professor für Psychiatrie an der Perelman School of Medicine an der University of Pennsylvania. „Wie Erwachsene, fanden wir, dass die funktionelle Neuroanatomie variiert ziemlich viel zwischen verschiedenen Kinder—jedes Kind hat ein einzigartiges Muster. Auch wie Erwachsene, die Netzwerke, die am meisten variieren zwischen Kindern sind die gleichen, executive networks verantwortlich für die Regulierung der möglichen Verhaltensweisen, die oft landen Jugendliche in heißem Wasser, wie Risikobereitschaft und Impulsivität.“

Um zu untersuchen, wie funktionale Netzwerke entwickeln, in der Kinder und unterstützt in leitender Funktion das team Analysierte eine große Stichprobe von Jugendlichen und Jungen Erwachsenen (693 Teilnehmer, im Alter von 8 bis 23). Diese Teilnehmer abgeschlossen 27 Minuten von fMRT-Scans als Teil der Philadelphia Entwicklungsstörungen Kohorte (PNC), eine große Studie, die finanziert wurde von der National Institute of Mental Health. Machine-learning-Techniken, entwickelt von dem Labor, Yong Fan, Ph. D., assistant professor für Radiologie an der Penn und co-Autor auf dem Papier, war das team in der Karte 17 funktionale Netzwerke in einzelnen Kinder, anstatt sich auf die Durchschnittliche Lage dieser Netze.

Die Forscher dann untersucht, wie diese funktionellen Netzwerke, die sich im Laufe der Pubertät, und waren mit der Leistung zusammenhängen, über eine Batterie von kognitiven tests. Das team fand heraus, dass die funktionelle Neuroanatomie dieser Netzwerke wurde verfeinert mit dem Alter, und können die Forscher Vorhersagen, wie alt ein Kind mit einem hohen Grad an Genauigkeit.

„Das räumliche layout der Netzwerke vorhergesagt, wie gut Kinder waren zu exekutiven Aufgaben“, sagte Zaixu Cui, Ph. D., ein Postdoctoral fellow in Satterthwaite ‚ s lab und das Papier der erste Autor. „Kinder, die mehr“ real estate “ auf Ihrem cortex gewidmet Netzwerke verantwortlich für die executive-Funktion in der Tat durchgeführt, besser auf diese komplexen Aufgaben.“ Im Gegensatz dazu, Jugendliche mit geringeren exekutiven Funktion hatte weniger von Ihrer Kortex für diese executive networks.

Zusammengenommen sind diese Ergebnisse bieten eine neue Konto der Entwicklungs-Plastizität und Vielfalt, und markieren Sie das Potenzial für Fortschritte in der personalisierten Diagnostik und Therapie, so die Autoren.