L’IA révèle que les femmes et les hommes diffèrent en ce qui concerne l’organisation et la fonction du cerveau

Les enquêteurs de Stanford Medicine ont rendu compte de leur développement d’un nouveau modèle d’intelligence artificielle qui, lors de tests, s’est révélé efficace à plus de 90 % pour déterminer si les IRM de l’activité cérébrale humaine provenaient d’un homme ou d’une femme. Les résultats, suggèrent les chercheurs, aident à résoudre une controverse de longue date sur l’existence de différences fiables entre les sexes dans le cerveau humain, et indiquent également que la compréhension de ces différences peut aider les scientifiques à mieux comprendre les conditions neuropsychiatriques qui affectent différemment les femmes et les hommes.

“L’une des principales motivations de cette étude est que le sexe joue un rôle crucial dans le développement du cerveau humain, dans le vieillissement et dans la manifestation de troubles psychiatriques et neurologiques”, a déclaré Vinod Menon, PhD, professeur de psychiatrie et de sciences du comportement et directeur de l’Université de Stanford. Laboratoire de Neurosciences Cognitives et Systèmes. “L’identification de différences sexuelles cohérentes et reproductibles dans le cerveau adulte en bonne santé est une étape cruciale vers une compréhension plus approfondie des vulnérabilités spécifiques au sexe dans les troubles psychiatriques et neurologiques.”

Menon est l’auteur principal de l’étude publiée par l’équipe dans PNASintitulé “Les modèles d’apprentissage profond révèlent des différences sexuelles reproductibles, généralisables et pertinentes sur le plan comportemental dans l’organisation fonctionnelle du cerveau humain.» Dans leur rapport, les enquêteurs ont conclu : « Nos résultats soulignent le rôle crucial du sexe en tant que déterminant biologique dans l’organisation du cerveau humain, ont des implications significatives pour le développement de biomarqueurs personnalisés spécifiques au sexe dans les troubles psychiatriques et neurologiques, et fournissent des outils informatiques innovants basés sur l’IA. pour des recherches futures. Les auteurs principaux sont Srikanth Ryali, PhD, et le chercheur universitaire Yuan Zhang, PhD.

Le sexe joue un rôle important dans le développement précoce du cerveau, l’adolescence et le vieillissement, notent les auteurs. De plus, ils ont souligné : « Le sexe est un facteur biologique important qui influence le comportement humain, impactant le fonctionnement cérébral et la manifestation de troubles psychiatriques et neurologiques… Par conséquent, la connaissance des différences sexuelles dans le cerveau humain est essentielle pour comprendre à la fois le comportement normatif et la psychopathologie. » En fait, la mesure dans laquelle le sexe d’une personne affecte la façon dont son cerveau est organisé et fonctionne a longtemps été un sujet de controverse parmi les scientifiques, ont suggéré les scientifiques.

Bien que nous connaissions les chromosomes sexuels avec lesquels nous sommes nés, ils aident à déterminer le cocktail d’hormones auquel notre cerveau est exposé, en particulier au cours du développement précoce, de la puberté et du vieillissement, les chercheurs ont longtemps eu du mal à relier le sexe à des différences concrètes dans le cerveau humain. Les structures cérébrales ont tendance à être sensiblement les mêmes chez les hommes et les femmes, et les recherches antérieures examinant la manière dont les régions du cerveau fonctionnent ensemble n’ont pas non plus réussi à trouver des indicateurs cérébraux cohérents du sexe. « … les recherches antérieures sur la façon dont l’organisation du cerveau diffère entre les hommes et les femmes n’ont pas été concluantes », ont souligné les enquêteurs. « … notre compréhension des différences entre les sexes dans l’organisation fonctionnelle du cerveau humain et de leurs conséquences comportementales a été entravée par des résultats incohérents et un manque de réplication. »

Pour leur étude récemment rapportée, Menon et ses collègues ont profité des progrès récents de l’intelligence artificielle, ainsi que de l’accès à plusieurs grands ensembles de données, pour poursuivre une analyse plus puissante que celle utilisée auparavant. Tout d’abord, ils ont créé un modèle de réseau neuronal profond spatiotemporel de bout en bout (stDNN), qu’ils ont formé pour classer les données des images cérébrales d’IRM fonctionnelle à l’état de repos (rsfMRI) du Human Connectome Project (HCP). Alors que les chercheurs montraient des scanners cérébraux au modèle et lui disaient qu’il regardait un cerveau masculin ou féminin, le modèle a commencé à « remarquer » quels modèles subtils pourraient l’aider à faire la différence. « Notre modèle stDNN a révélé des différences fiables entre les sexes avec une précision de classification par validation croisée de plus de 90 %, surpassant les études précédentes », ont déclaré les scientifiques.

L’équipe a évalué la réplicabilité de son modèle prédictif sur des ensembles de données supplémentaires, sans formation supplémentaire. Lorsqu’il a été testé sur environ 1 500 scintigraphies cérébrales, le modèle stDNN pouvait presque toujours déterminer si l’analyse provenait d’une femme ou d’un homme. Il a également démontré des performances supérieures à celles des modèles utilisés dans des études précédentes, en partie parce qu’il utilise un réseau neuronal profond qui analyse les analyses dynamiques rsfMRI. Cette approche capture l’interaction complexe entre les différentes régions du cerveau. “Notre modèle a surpassé les études précédentes, tant en termes de tests que d’ensembles de données indépendants”, a noté l’équipe.

Le succès du modèle suggère que des différences sexuelles détectables existent dans le cerveau, mais qu’elles n’avaient pas été détectées de manière fiable auparavant. Le fait que le modèle ait si bien fonctionné dans différents ensembles de données, y compris des scanners cérébraux provenant de plusieurs sites aux États-Unis et en Europe, rend les résultats particulièrement convaincants dans la mesure où il contrôle de nombreux facteurs confondants pouvant avoir un impact sur les études de ce type. “C’est une preuve très solide que le sexe est un déterminant important de l’organisation du cerveau humain”, a déclaré Menon.

Jusqu’à récemment, un modèle tel que celui utilisé par l’équipe de Menon aurait aidé les chercheurs à trier les cerveaux en différents groupes, mais n’aurait pas été en mesure de fournir des informations sur la manière dont le tri s’est produit. Cependant, les chercheurs ont aujourd’hui accès à un outil appelé IA explicable (XAI), qui peut passer au crible de grandes quantités de données pour expliquer comment les décisions d’un modèle sont prises.

À l’aide d’une IA explicable, Menon et son équipe ont identifié les réseaux cérébraux les plus importants pour déterminer si un scanner cérébral provenait d’un homme ou d’une femme. Ils ont découvert que les « points chauds » qui ont le plus aidé le modèle à distinguer les cerveaux masculins des cerveaux féminins comprenaient le réseau en mode par défaut (DMN), un système cérébral qui nous aide à traiter les informations autoréférentielles, ainsi que le striatum et le réseau limbique, qui sont impliqués dans l’apprentissage et comment nous réagissons aux récompenses.

Notamment, ont-ils souligné, le DMN, le striatum et le réseau limbique sont également des « lieux de dysfonctionnement dans les troubles psychiatriques avec des taux de prévalence féminins ou masculins, notamment l’autisme, les troubles du déficit de l’attention, la dépression, la toxicomanie, la schizophrénie et la maladie de Parkinson. qui ont des séquelles et des résultats spécifiques au sexe. Leurs découvertes, a suggéré l’équipe, «… pourraient donc offrir un modèle pour les enquêtes sur les différences entre les sexes en matière de vulnérabilité aux troubles psychiatriques et neurologiques individuels».

Les chercheurs se sont également demandé s’ils pourraient créer un autre modèle qui pourrait prédire la performance des participants dans certaines tâches cognitives, en fonction des caractéristiques fonctionnelles du cerveau qui diffèrent entre les femmes et les hommes. Pour ce faire, ils ont développé des modèles de capacités cognitives spécifiques au sexe. Un modèle prédisait efficacement les performances cognitives chez les hommes mais pas chez les femmes, et un autre chez les femmes mais pas chez les hommes. Les résultats indiquent que les caractéristiques fonctionnelles du cerveau qui varient selon le sexe ont des implications comportementales significatives. « De manière critique, les caractéristiques cérébrales identifiées par XAI qui distinguent de manière fiable l’organisation fonctionnelle du cerveau entre les sexes prédisent également des profils cognitifs uniques chez les femmes et les hommes », ont commenté les auteurs.

En résumé de leurs résultats, ils ont conclu : « Notre approche utilisant les techniques DNN spatio-temporelles et XAI identifie les différences sexuelles reproductibles, généralisables et interprétables dans l’organisation fonctionnelle du cerveau humain à travers plusieurs ensembles de données et cohortes indépendantes et, en outre, révèle que les caractéristiques fonctionnelles du cerveau qui diffèrent entre les sexes sont pertinents sur le plan comportemental.

Menon a ajouté : « Ces modèles ont très bien fonctionné parce que nous avons réussi à séparer les schémas cérébraux entre les sexes. Cela me dit que négliger les différences entre les sexes dans l’organisation du cerveau pourrait nous amener à passer à côté de facteurs clés à l’origine des troubles neuropsychiatriques.

Alors que l’équipe a appliqué son modèle de réseau neuronal profond à des questions sur les différences entre les sexes, Menon affirme que le modèle peut être appliqué pour répondre à des questions sur la façon dont presque n’importe quel aspect de la connectivité cérébrale pourrait être lié à tout type de capacité ou de comportement cognitif. Les scientifiques prévoient de rendre leur modèle accessible au public pour que tout chercheur puisse l’utiliser. “Nos modèles d’IA ont une applicabilité très large”, a déclaré Menon. “Un chercheur pourrait utiliser nos modèles pour rechercher des différences cérébrales liées à des troubles d’apprentissage ou à des différences de fonctionnement social, par exemple – des aspects que nous souhaitons mieux comprendre pour aider les individus à s’adapter et à surmonter ces défis.”

Les enquêteurs ont noté que ces travaux ne déterminent pas si les différences liées au sexe surviennent tôt dans la vie ou si elles peuvent être motivées par des différences hormonales ou par les différentes circonstances sociétales que les hommes et les femmes sont plus susceptibles de rencontrer. Néanmoins, ils ont écrit : « La découverte de caractéristiques fonctionnelles robustes du cerveau sous-jacentes aux différences entre les sexes a le potentiel d’éclairer des modèles quantitativement précis pour étudier les différences entre les sexes dans les troubles psychiatriques et neurologiques. Ce travail ouvre la voie à des approches plus ciblées et personnalisées dans la recherche en neurosciences cognitives et dans les applications cliniques.

2024-02-19 23:00:20
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