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Deep learning to quantify the pace of brain aging in relation to neurocognitive changes

神经认知 脑老化 队列 心理学 卷积神经网络 认知 神经影像学 神经科学 纵向研究 衰老的大脑 医学 听力学 老年学 内科学 人工智能 计算机科学 病理
作者
Chenzhong Yin,Phoebe Imms,Nahian F. Chowdhury,Nikhil N. Chaudhari,Heng Ping,Haoqing Wang,Paul Bogdan,Andrei Irimia,Michael D. Weiner,Paul Aisen,Ronald Petersen,Clifford R. Jack,William J. Jagust,Susan Landau,Mónica Rivera Mindt,Ozioma C. Okonkwo,Leslie M. Shaw,Edward B. Lee,Arthur W. Toga,Laurel Beckett
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (10) 被引量:2
标识
DOI:10.1073/pnas.2413442122
摘要

Brain age (BA), distinct from chronological age (CA), can be estimated from MRIs to evaluate neuroanatomic aging in cognitively normal (CN) individuals. BA, however, is a cross-sectional measure that summarizes cumulative neuroanatomic aging since birth. Thus, it conveys poorly recent or contemporaneous aging trends, which can be better quantified by the (temporal) pace P of brain aging. Many approaches to map P , however, rely on quantifying DNA methylation in whole-blood cells, which the blood–brain barrier separates from neural brain cells. We introduce a three-dimensional convolutional neural network (3D-CNN) to estimate P noninvasively from longitudinal MRI. Our longitudinal model (LM) is trained on MRIs from 2,055 CN adults, validated in 1,304 CN adults, and further applied to an independent cohort of 104 CN adults and 140 patients with Alzheimer’s disease (AD). In its test set, the LM computes P with a mean absolute error (MAE) of 0.16 y (7% mean error). This significantly outperforms the most accurate cross-sectional model, whose MAE of 1.85 y has 83% error. By synergizing the LM with an interpretable CNN saliency approach, we map anatomic variations in regional brain aging rates that differ according to sex, decade of life, and neurocognitive status. LM estimates of P are significantly associated with changes in cognitive functioning across domains. This underscores the LM’s ability to estimate P in a way that captures the relationship between neuroanatomic and neurocognitive aging. This research complements existing strategies for AD risk assessment that estimate individuals’ rates of adverse cognitive change with age.
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