O aprendizado de máquina está ajudando os pesquisadores da Penn Medicine a identificar o tamanho e a forma das redes cerebrais em crianças individuais, o que pode ser útil para a compreensão de distúrbios psiquiátricos.
Em um novo estudo publicado hoje na revista Neuron, uma equipe multidisciplinar mostrou como as redes cerebrais exclusivas para cada criança podem prever a cognição. O estudo – que usou técnicas de aprendizado de máquina para analisar as imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) de quase 700 crianças, adolescentes e adultos jovens – é o primeiro a mostrar que a neuroanatomia funcional pode variar muito entre as crianças e é refinada durante o desenvolvimento.
O cérebro humano possui um padrão de dobras e sulcos em sua superfície que fornecem marcos físicos para encontrar áreas cerebrais. As redes funcionais que governam a cognição há muito são estudadas em seres humanos, alinhando os padrões de ativação – o software do cérebro – ao hardware desses marcos físicos. No entanto, esse processo pressupõe que as funções do cérebro estejam localizadas nos mesmos pontos de referência em cada pessoa. Isso funciona bem para muitos sistemas cerebrais simples, por exemplo, o sistema motor que controla o movimento geralmente fica próximo à mesma dobra específica de cada pessoa. Entretanto, vários estudos recentes em adultos mostraram que esse não é o caso de sistemas cerebrais mais complexos responsáveis ??pela função executiva – um conjunto de processos mentais que inclui autocontrole e atenção. Nesses sistemas, as redes funcionais nem sempre estão alinhadas com os marcos físicos do cérebro de dobras e cristas. Em vez disso, cada adulto tem seu próprio layout específico. Até agora, não se sabia como essas redes específicas de pessoas podem mudar à medida que as crianças crescem ou se relacionam com a função executiva.
“A parte interessante deste trabalho é que agora somos capazes de identificar o layout espacial dessas redes funcionais em crianças individuais, em vez de olhar para todos que usam a mesma abordagem ‘tamanho único'”, disse o autor sênior Theodore D. Satterthwaite , MD, professor assistente de psiquiatria na Escola de Medicina Perelman da Universidade da Pensilvânia. “Como adultos, descobrimos que a neuroanatomia funcional varia bastante entre crianças diferentes – cada criança tem um padrão único. Além disso, como os adultos, as redes que mais variam entre as crianças são as mesmas redes executivas responsáveis ??por regular os tipos de comportamentos que podem freqüentemente colocam adolescentes em água quente, como correr riscos e impulsividade “.
Para estudar como as redes funcionais se desenvolvem em crianças e apoia a função executiva, a equipe analisou uma grande amostra de adolescentes e adultos jovens (693 participantes, de 8 a 23 anos). Esses participantes completaram 27 minutos de ressonância magnética fMRI como parte da Coorte de Neurodesenvolvimento da Filadélfia (PNC), um grande estudo financiado pelo Instituto Nacional de Saúde Mental. As técnicas de aprendizado de máquina desenvolvidas pelo laboratório de Yong Fan, Ph.D., professor assistente de Radiologia da Penn e coautor do artigo, permitiram à equipe mapear 17 redes funcionais em crianças individuais, em vez de depender da localização média dessas redes.
Os pesquisadores então examinaram como essas redes funcionais evoluíram na adolescência e se relacionaram ao desempenho em uma bateria de testes cognitivos. A equipe descobriu que a neuroanatomia funcional dessas redes era refinada com a idade e permitiu que os pesquisadores previssem quantos anos uma criança com um alto grau de precisão.
“O layout espacial dessas redes previa como as crianças eram boas nas tarefas executivas”, disse Zaixu Cui, Ph.D., pós-doutorado no laboratório de Satterthwaite e primeiro autor do artigo. “As crianças que têm mais ‘bens imóveis’ em seu córtex dedicadas às redes responsáveis ??pela função executiva de fato tiveram um desempenho melhor nessas tarefas complexas”. Por outro lado, jovens com menor função executiva tinham menos de seu córtex dedicado a essas redes executivas.
Tomados em conjunto, esses resultados oferecem um novo relato da plasticidade e diversidade do desenvolvimento e destacam o potencial de progresso em diagnósticos e terapêuticos personalizados, disseram os autores.
“As descobertas nos levam a questões interessantes sobre a biologia do desenvolvimento de como essas redes são formadas e também oferecem potencial para personalizar tratamentos neuromoduladores, como estimulação cerebral para depressão ou problemas de atenção”, disse Satterthwaite. “Como esses sistemas são estabelecidos em primeiro lugar? Podemos obter uma resposta melhor para nossos pacientes se usarmos neuromodulação direcionada usando suas próprias redes pessoais? Focar nas características únicas do cérebro de cada pessoa pode fornecer um caminho importante a seguir”. ”
Publicado em 20/02/2020 13h13
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