Новое исследование, проведенное исследователями из Стэнфордского медицинского университета, представляет новую модель искусственного интеллекта, которая более чем на 90% успешно определила, было ли сканирование мозговой активности получено от женщины или мужчины.
Результаты, опубликованные 19 февраля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, помогают разрешить долгосрочный спор о том, существуют ли достоверные половые различия в человеческом мозге, и предполагают, что понимание этих различий может иметь решающее значение для лечения нейропсихиатрических состояний, от которых страдают женщины. а мужчины по-разному.
«Ключевой мотивацией для этого исследования является то, что секс играет решающую роль в развитии человеческого мозга, старении и проявлении психиатрических и неврологических расстройств», — сказал Винод Менон, доктор философии, профессор психиатрии и поведенческих наук и директор. из Стэнфордской лаборатории когнитивных и системных нейронаук.
«Выявление последовательных и воспроизводимых половых различий в мозге здорового взрослого человека является важным шагом на пути к более глубокому пониманию гендерных уязвимостей при психических и неврологических расстройствах».
Менон — старший автор исследования. Ведущими авторами являются старший научный сотрудник Шрикант Рьяли, доктор философии, и научный сотрудник Юань Чжан, доктор философии.
«Горячие точки», которые больше всего помогли модели отличить мужской мозг от женского, включают сеть режима по умолчанию, систему мозга, которая помогает нам обрабатывать самореферентную информацию, а также полосатое тело и лимбическую сеть, которые участвуют в обучении и в том, как мы реагируем на вознаграждения. .
Исследователи отметили, что эта работа не учитывает, возникают ли половые различия в раннем возрасте или они могут быть вызваны гормональными различиями или различными социальными обстоятельствами, с которыми мужчины и женщины могут с большей вероятностью столкнуться.
Выявление различий в мозге
Степень, в которой пол человека влияет на организацию и работу его мозга, уже давно является предметом споров среди ученых. Хотя мы знаем, что половые хромосомы, с которыми мы рождаемся, помогают определить коктейль гормонов, воздействию которого подвергается наш мозг, особенно в период раннего развития, полового созревания и старения, исследователи уже давно пытаются связать пол с конкретными различиями в человеческом мозге.
Структуры мозга, как правило, выглядят одинаково у мужчин и женщин, и предыдущие исследования, изучающие совместную работу областей мозга, также в значительной степени не смогли выявить последовательные индикаторы пола мозга.
В своем нынешнем исследовании Менон и его команда воспользовались последними достижениями в области искусственного интеллекта, а также доступом к множеству больших наборов данных, чтобы провести более мощный анализ, чем использовался ранее.
Во-первых, они создали компьютер, который учится классифицировать данные визуализации мозга: когда исследователи показали модели снимки мозга и сказали ей, что она смотрит на мужской или женский мозг, модель начала «замечать», какие тонкие закономерности могут ей помочь. объясни разницу.
Эта модель продемонстрировала превосходную производительность по сравнению с предыдущими исследованиями, отчасти потому, что в ней использовалась глубокая нейронная сеть, которая анализирует динамические снимки МРТ. Этот подход отражает сложное взаимодействие между различными областями мозга . Когда исследователи протестировали модель примерно на 1500 сканах мозга, она почти всегда могла определить, было ли сканирование сделано женщиной или мужчиной.
Успех модели предполагает, что обнаруживаемые половые различия действительно существуют в мозгу, но раньше их надежно не фиксировали. Тот факт, что он так хорошо работал в различных наборах данных, включая сканирование мозга из нескольких мест в США и Европе, делает результаты особенно убедительными, поскольку он устраняет множество ошибок, которые могут мешать исследованиям такого рода.
«Это очень убедительное доказательство того, что пол является надежным детерминантом организации человеческого мозга », — сказал Менон.
Делаем прогнозы
До недавнего времени модель, подобная той, которую использовала команда Менона, помогала исследователям сортировать мозг по разным группам, но не давала информации о том, как происходила сортировка. Однако сегодня у исследователей есть доступ к инструменту под названием «объяснимый ИИ», который может анализировать огромные объемы данных, чтобы объяснить, как принимаются решения модели.
Используя объяснимый искусственный интеллект, Менон и его команда определили мозговые сети, которые были наиболее важны для суждения модели о том, было ли сканирование мозга произведено мужчиной или женщиной. Они обнаружили, что для совершения звонка модель чаще всего обращалась к сети режима по умолчанию , полосатому телу и лимбической сети.
Затем команда задалась вопросом, смогут ли они создать другую модель, которая могла бы предсказать, насколько хорошо участники справятся с определенными когнитивными задачами, основываясь на функциональных особенностях мозга, которые различаются у женщин и мужчин. Они разработали модели когнитивных способностей с учетом пола: одна модель эффективно предсказывала когнитивные способности у мужчин, но не у женщин, а другая — у женщин, но не у мужчин.
Результаты показывают, что функциональные характеристики мозга, различающиеся у разных полов, имеют серьезные поведенческие последствия.
«Эти модели сработали очень хорошо, потому что мы успешно разделили мозговые структуры между полами», — сказал Менон. «Это говорит мне о том, что игнорирование половых различий в организации мозга может привести к тому, что мы упустим ключевые факторы, лежащие в основе нервно-психических расстройств».
В то время как команда применила свою модель глубоких нейронных сетей к вопросам о половых различиях, Менон говорит, что модель может быть применена для ответа на вопросы о том, как практически любой аспект связей мозга может быть связан с любым видом когнитивных способностей или поведения. Он и его команда планируют сделать свою модель общедоступной для использования любым исследователем.
«Наши модели ИИ имеют очень широкую применимость», — сказал Менон. «Исследователь может использовать наши модели для поиска различий в мозге, связанных, например, с нарушениями обучения или различиями в социальном функционировании — аспекты, которые мы стремимся лучше понять, чтобы помочь людям адаптироваться к этим проблемам и преодолевать их».
