首頁(yè) 資訊 Nature Medicine：腦齡預(yù)測(cè)模型：如何利用EEG和fMRI發(fā)現(xiàn)大腦老化背后的社會(huì)因素@MedSci

Nature Medicine：腦齡預(yù)測(cè)模型：如何利用EEG和fMRI發(fā)現(xiàn)大腦老化背后的社會(huì)因素@MedSci

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月13日 08:57

引言

隨著全球人口老齡化的加劇，研究如何評(píng)估個(gè)體大腦的健康狀況和衰老速度成為了重要的研究領(lǐng)域。近年來(lái)，基于腦影像技術(shù)的“腦齡差異”模型（brain-age gap models）逐漸成為量化大腦健康狀況和衰老進(jìn)程的有力工具。該模型通過(guò)比較個(gè)體的實(shí)際年齡（chronological age）和其通過(guò)大腦影像預(yù)測(cè)的腦齡（brain age）來(lái)評(píng)估大腦的健康狀態(tài)。如果一個(gè)人的腦齡比其實(shí)際年齡更大，意味著該個(gè)體可能存在加速的大腦衰老現(xiàn)象，這可能與認(rèn)知功能下降、癡呆（dementia）等神經(jīng)退行性疾病相關(guān)。

然而，大多數(shù)關(guān)于腦齡差異的研究集中在發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是全球北方的高收入國(guó)家，忽視了全球南方（如拉美與加勒比地區(qū)，LAC）的低收入和中等收入國(guó)家的人群。這些地區(qū)的個(gè)體不僅在遺傳多樣性上與全球北方國(guó)家的人群存在差異，而且還面臨嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等、環(huán)境污染、教育水平低下以及醫(yī)療資源不足等問(wèn)題。這些宏觀社會(huì)因素（macrosocial factors）可能顯著影響這些地區(qū)居民的腦部健康和衰老過(guò)程。

8月26日Nature Medicine的研究報(bào)道“Brain clocks capture diversity and disparities in aging and dementia across geographically diverse populations”，正是基于這一背景，首次將腦齡差異模型應(yīng)用于LAC和非LAC（主要包括美國(guó)、中國(guó)、日本、希臘、意大利等國(guó)家）兩個(gè)地理區(qū)域的大規(guī)模人群數(shù)據(jù)。研究利用功能磁共振成像（fMRI）和腦電圖（EEG）這兩種腦影像技術(shù)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)（deep learning）方法，建立了預(yù)測(cè)腦齡差異的模型，并探索了地理、性別、社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等等多種因素對(duì)腦齡差異的影響。研究涵蓋了5306名參與者，包括健康對(duì)照組、輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment, MCI）、阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease, AD）以及行為變異型額顳葉癡呆（behavioral variant frontotemporal dementia, bvFTD）患者，涉及15個(gè)國(guó)家的數(shù)據(jù)。

通過(guò)比較LAC和非LAC地區(qū)的腦齡差異，研究發(fā)現(xiàn)LAC地區(qū)的個(gè)體通常顯示出更大的腦齡差距，尤其是在女性群體中，這表明該地區(qū)存在明顯的加速腦部衰老現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，LAC地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等、空氣污染和健康差異等宏觀社會(huì)因素在預(yù)測(cè)腦齡差異時(shí)具有重要影響。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了腦部健康和疾病風(fēng)險(xiǎn)的多樣性，也為未來(lái)全球范圍內(nèi)的個(gè)性化醫(yī)學(xué)和大腦健康評(píng)估提供了重要的參考框架。

通過(guò)將這些背景與研究結(jié)果相結(jié)合，該研究展示了腦齡差異模型在跨地區(qū)、跨性別以及跨疾病狀態(tài)下的廣泛應(yīng)用潛力，尤其是在資源有限的地區(qū)，基于EEG等成本較低、易于操作的技術(shù)，有望成為未來(lái)腦部健康評(píng)估的重要工具。

該研究使用了來(lái)自5306名參與者的數(shù)據(jù)，這些參與者分布在15個(gè)國(guó)家，包括7個(gè)LAC國(guó)家（如阿根廷、巴西、智利等）和8個(gè)非LAC國(guó)家（如美國(guó)、日本、希臘等）。研究中使用了功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）和腦電圖（electroencephalography, EEG）兩種腦影像技術(shù)。研究對(duì)象包括健康對(duì)照組、輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment, MCI）、阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease, AD）和行為變異型額顳葉癡呆（behavioral variant frontotemporal dementia, bvFTD）患者。為了預(yù)測(cè)腦齡差異，研究使用了基于深度學(xué)習(xí)的圖卷積網(wǎng)絡(luò)（Graph Convolutional Networks, GCN）。

fMRI數(shù)據(jù)來(lái)自2953名參與者，EEG數(shù)據(jù)則來(lái)自2353名參與者。所有數(shù)據(jù)在輸入模型之前經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化處理，去除了噪聲和偏差。為了控制不同掃描儀的影響，fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行了掃描儀類型的歸一化處理，確保不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)一致性。EEG數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)頻段濾波和噪聲校正，保留了對(duì)腦電活動(dòng)最具代表性的頻段。

研究通過(guò)圖卷積網(wǎng)絡(luò)分析大腦功能連接，并使用80%的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，20%的數(shù)據(jù)用于模型測(cè)試。模型預(yù)測(cè)腦齡差異的效果良好，fMRI數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性（R2值）為0.52，EEG數(shù)據(jù)的R2值為0.45。研究還評(píng)估了模型的均方根誤差（r.m.s.e.），fMRI為7.24歲，EEG為6.45歲，表明模型具有良好的預(yù)測(cè)能力。

腦齡差異的地理分布

研究通過(guò)分析來(lái)自15個(gè)國(guó)家的5306名參與者的數(shù)據(jù)，揭示了不同地理區(qū)域之間的腦齡差異。LAC國(guó)家包括阿根廷、巴西、智利、哥倫比亞、墨西哥、秘魯?shù)龋荓AC國(guó)家包括美國(guó)、中國(guó)、日本、希臘、意大利、土耳其、愛(ài)爾蘭和英國(guó)等。研究結(jié)果表明，LAC地區(qū)的參與者在腦齡差異上表現(xiàn)出更大的偏差，表明這些地區(qū)的個(gè)體可能經(jīng)歷了加速的大腦老化。

LAC地區(qū)：在功能磁共振成像（fMRI）數(shù)據(jù)的分析中，LAC地區(qū)的參與者的平均預(yù)測(cè)誤差（Mean Directional Error，MDE）為 5.60歲，均方根誤差（Root Mean Square Error, r.m.s.e.）為 9.44歲。這意味著LAC地區(qū)的參與者的大腦年齡比他們的實(shí)際年齡要老5.60歲左右。

非LAC地區(qū)：相比之下，非LAC地區(qū)的參與者在同樣的fMRI數(shù)據(jù)中，預(yù)測(cè)誤差為 -2.52歲，均方根誤差為 8.41歲。也就是說(shuō)，非LAC地區(qū)的參與者的大腦年齡通常比他們的實(shí)際年齡略小，約為2.52歲。

同樣，在EEG數(shù)據(jù)的分析中，也顯示了類似的趨勢(shì)：LAC地區(qū)的EEG數(shù)據(jù)中的平均預(yù)測(cè)誤差為 5.34歲，均方根誤差為 7.23歲。非LAC地區(qū)的EEG數(shù)據(jù)中的預(yù)測(cè)誤差為 -2.34歲，均方根誤差為 5.69歲。

這些數(shù)據(jù)表明，LAC地區(qū)的參與者不僅在fMRI和EEG兩種影像數(shù)據(jù)的腦齡預(yù)測(cè)中都顯示出顯著的腦齡偏大現(xiàn)象，而且這一現(xiàn)象的程度遠(yuǎn)高于非LAC國(guó)家。研究認(rèn)為，這種差異可能與LAC地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等、空氣污染以及醫(yī)療資源的不足密切相關(guān)。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等：LAC地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)面臨著嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等問(wèn)題。研究通過(guò)分析Gini系數(shù)（一種衡量收入不平等的指標(biāo)）發(fā)現(xiàn)，LAC地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等與腦齡差異呈顯著正相關(guān)，這意味著更高的不平等可能導(dǎo)致更快的大腦老化。

空氣污染：PM2.5等空氣污染物也是LAC地區(qū)腦齡差異加劇的重要因素。研究表明，長(zhǎng)期暴露于高濃度的空氣污染中，會(huì)對(duì)大腦健康產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是會(huì)加速大腦的老化過(guò)程。

醫(yī)療資源匱乏：LAC地區(qū)的醫(yī)療資源相對(duì)匱乏，許多慢性疾病和傳染病的負(fù)擔(dān)更大，這些因素都可能加速大腦的退行性變化。

不同數(shù)據(jù)集下基于功能磁共振成像（fMRI）的深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練和測(cè)試結(jié)果（Credit: Nature Medicine）

總體樣本中的模型表現(xiàn)：在整個(gè)樣本中（包含LAC和非LAC的參與者），模型的表現(xiàn)通過(guò)普通最小二乘回歸（OLS）進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)的腦齡與實(shí)際年齡之間有較好的擬合度，R2值為 0.52，顯著性P值小于 0.001，并且Cohen's f2為 1.07，表明模型具有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。

非LAC數(shù)據(jù)集中的模型表現(xiàn)：在非LAC數(shù)據(jù)集中（主要包括美國(guó)、中國(guó)、日本等），模型的預(yù)測(cè)精度相對(duì)較高，R2值為 0.40，P值仍然小于 0.001，f2值為 0.67。模型的均方根誤差（r.m.s.e.）為 8.66歲，表明模型在該數(shù)據(jù)集中的預(yù)測(cè)誤差較小。

LAC數(shù)據(jù)集中的模型表現(xiàn)：在LAC數(shù)據(jù)集中（包括阿根廷、智利、墨西哥等），模型的表現(xiàn)略差于非LAC地區(qū)。R2值為 0.24，P值小于 0.001，f2值為 0.31，均方根誤差為 11.91歲。此外，LAC數(shù)據(jù)集中的平均方向性誤差（MDE）為 3.18歲，表明模型在LAC地區(qū)的預(yù)測(cè)誤差較大，特別是預(yù)測(cè)出比實(shí)際年齡更大的腦齡。

跨區(qū)域訓(xùn)練和測(cè)試的誤差比較：研究還分析了在非LAC數(shù)據(jù)上訓(xùn)練并在LAC數(shù)據(jù)上測(cè)試時(shí)的表現(xiàn)，結(jié)果表明存在較大的正向誤差，MDE為 5.60歲，均方根誤差為 9.44歲。相反，在LAC數(shù)據(jù)上訓(xùn)練并在非LAC數(shù)據(jù)上測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)了負(fù)向誤差，MDE為 -2.52歲，均方根誤差為 8.41歲，表明預(yù)測(cè)出的腦齡普遍比實(shí)際年齡小。

性別差異的影響：在LAC地區(qū)，研究還發(fā)現(xiàn)女性的腦齡差距比男性更大。在訓(xùn)練非LAC數(shù)據(jù)并在LAC數(shù)據(jù)上測(cè)試時(shí)，女性的腦齡預(yù)測(cè)偏差明顯高于男性，表明性別差異在LAC地區(qū)的腦齡預(yù)測(cè)中具有重要影響。

基于腦電圖（EEG）數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)模型在不同樣本中的訓(xùn)練和測(cè)試結(jié)果（Credit: Nature Medicine）

總體樣本中的模型表現(xiàn)：在整個(gè)樣本中（包含LAC和非LAC地區(qū)的參與者），模型的總體表現(xiàn)通過(guò)普通最小二乘回歸（OLS）進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示，模型在EEG數(shù)據(jù)中的預(yù)測(cè)效果良好，R2值為 0.45，顯著性P值小于 0.001，Cohen's f2為 0.83，表明模型在EEG數(shù)據(jù)中的預(yù)測(cè)能力相對(duì)較高。

非LAC數(shù)據(jù)集中的模型表現(xiàn)：在非LAC數(shù)據(jù)集中，模型的預(yù)測(cè)精度較高，R2值為 0.41，P值小于 0.001，Cohen's f2為 0.71，均方根誤差（r.m.s.e.）為 6.57歲。這表明模型在非LAC國(guó)家的EEG數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)誤差較小。

LAC數(shù)據(jù)集中的模型表現(xiàn)：在LAC數(shù)據(jù)集中，模型的表現(xiàn)略差于非LAC地區(qū)。R2值為 0.37，P值仍顯著小于 0.001，Cohen's f2為 0.59，均方根誤差為 7.23歲。LAC數(shù)據(jù)集的平均方向性誤差（MDE）為 5.34歲，這表明在LAC地區(qū)，模型預(yù)測(cè)的腦齡普遍高于實(shí)際年齡。

跨區(qū)域訓(xùn)練和測(cè)試的誤差比較：在跨區(qū)域分析中，研究對(duì)比了在非LAC數(shù)據(jù)上訓(xùn)練并在LAC數(shù)據(jù)上測(cè)試的表現(xiàn)，結(jié)果顯示出正向預(yù)測(cè)誤差，MDE為 5.34歲，均方根誤差為 7.23歲，表明模型在LAC地區(qū)高估了腦齡。反之，在LAC數(shù)據(jù)上訓(xùn)練并在非LAC數(shù)據(jù)上測(cè)試時(shí)，結(jié)果顯示負(fù)向誤差，MDE為 -2.34歲，均方根誤差為 5.69歲，表示模型在非LAC地區(qū)低估了腦齡。

性別差異的影響：在EEG數(shù)據(jù)的性別分析中，LAC地區(qū)的女性腦齡差距比男性更大，特別是在跨區(qū)域測(cè)試時(shí)，女性的腦齡差距較男性更為顯著。這一發(fā)現(xiàn)與LAC地區(qū)的性別不平等、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和環(huán)境因素相關(guān)。

性別差異

該研究不僅揭示了地理區(qū)域間的腦齡差異，還特別關(guān)注了性別差異，尤其是在拉美與加勒比地區(qū)（LAC）與非LAC地區(qū)的對(duì)比中，性別因素對(duì)大腦老化的影響顯著。研究發(fā)現(xiàn)，LAC地區(qū)的女性在健康對(duì)照組和阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）患者中，表現(xiàn)出比男性更大的腦齡差距（brain-age gap）。

在LAC地區(qū)，健康對(duì)照組中，女性的平均腦齡差距為 6.93歲，而男性的平均腦齡差距為 3.66歲。這一數(shù)據(jù)顯示，女性的腦齡差距比男性大約高出 3.27歲。

在阿爾茨海默病組中，LAC地區(qū)的女性的腦齡差距達(dá)到 12.78歲，而男性為 9.45歲，女性的腦齡差距比男性大約高出 3.33歲。

相比之下，非LAC地區(qū)的性別差異相對(duì)較?。涸诮】祵?duì)照組中，女性的平均腦齡差距為 1.87歲，男性為 2.21歲，兩者之間的差異很小。在阿爾茨海默病組中，女性的腦齡差距為 6.19歲，而男性為 5.24歲，差異同樣較小。

從這些數(shù)據(jù)可以看出，在LAC地區(qū)，女性的大腦老化速度顯著快于男性，尤其是在健康對(duì)照組和阿爾茨海默病組中。這一性別差異在非LAC地區(qū)則不那么明顯。研究認(rèn)為，這可能與以下幾個(gè)因素有關(guān)：

性別不平等指數(shù)（Gender Inequality Index, GII）：LAC地區(qū)的性別不平等指數(shù)較高，女性在社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位、教育水平和醫(yī)療資源獲取上往往處于劣勢(shì)。這些不平等加劇了女性在生活中面臨的壓力，進(jìn)而影響到她們的大腦健康，加速了大腦老化。

生理因素：女性在絕經(jīng)期后，雌激素（estrogen）水平顯著下降，而雌激素被認(rèn)為對(duì)大腦有保護(hù)作用。缺乏這種激素可能使女性更容易受到大腦退行性病變的影響，導(dǎo)致腦齡差距的增加。

環(huán)境因素：LAC地區(qū)的空氣污染和傳染性疾病負(fù)擔(dān)較高，這些因素可能更容易對(duì)女性產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是在生活條件較差、長(zhǎng)期暴露于高污染環(huán)境的女性群體中。

社會(huì)角色：在LAC地區(qū)，女性往往承擔(dān)著更多的家庭照顧責(zé)任和社會(huì)壓力，這也可能對(duì)其大腦健康產(chǎn)生不利影響。

不同組別、性別及宏觀社會(huì)因素對(duì)腦齡差距（brain-age gaps）的影響（Credit: Nature Medicine）

不同組別的腦齡差距：圖中對(duì)比了健康對(duì)照組、輕度認(rèn)知障礙組（mild cognitive impairment，MCI）和阿爾茨海默病組（Alzheimer's disease，AD）的腦齡差距。結(jié)果顯示，阿爾茨海默病患者的腦齡差距最大，表明這些患者的腦部衰老速度明顯加快。輕度認(rèn)知障礙組的腦齡差距也顯著高于健康對(duì)照組，但小于阿爾茨海默病組，表明MCI患者的腦部老化介于健康個(gè)體與AD患者之間。健康對(duì)照組的腦齡差距最小，意味著這些人的腦部老化速度較為正常。

性別對(duì)腦齡差距的影響：在健康對(duì)照組、MCI組和AD組中，女性的腦齡差距普遍大于男性，特別是在阿爾茨海默病患者中，女性的腦齡差距更加明顯。這表明性別是影響腦部老化的重要因素，女性的腦部老化速度可能較快。不同性別的腦齡差距在LAC地區(qū)表現(xiàn)得尤為顯著，女性的腦齡差距在所有組別中都明顯大于男性。

宏觀社會(huì)因素的影響：圖中分析了多種宏觀社會(huì)因素（如社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等、空氣污染和健康負(fù)擔(dān)）對(duì)腦齡差距的影響。結(jié)果表明，LAC地區(qū)的宏觀社會(huì)因素對(duì)腦齡差距有顯著影響。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等（Gini系數(shù)）：LAC地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等程度較高，與腦齡差距呈正相關(guān)，意味著不平等越嚴(yán)重，腦齡差距越大。

空氣污染（PM2.5）：長(zhǎng)期暴露于空氣污染中（尤其是PM2.5）的個(gè)體，表現(xiàn)出更大的腦齡差距，特別是在LAC地區(qū)，空氣污染是腦齡加速老化的一個(gè)重要影響因素。

疾病負(fù)擔(dān)：高疾病負(fù)擔(dān)（包括傳染性和非傳染性疾?。┮才c更大的腦齡差距相關(guān)，這在LAC地區(qū)表現(xiàn)得更加顯著。

交互效應(yīng)：宏觀社會(huì)因素與性別之間的交互效應(yīng)明顯，尤其是在LAC地區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等和空氣污染等因素對(duì)女性的影響尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致女性的腦齡差距顯著增加。這一結(jié)果顯示，LAC地區(qū)的女性不僅受到性別不平等的影響，還面臨更高的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致她們的大腦老化速度加快。

該研究揭示了全球南方，特別是LAC地區(qū)的個(gè)體在腦齡差異上的獨(dú)特表現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了宏觀社會(huì)因素對(duì)大腦健康的深遠(yuǎn)影響。為未來(lái)的腦齡差異研究提供了新的思路，特別是在資源有限的地區(qū)，使用EEG等成本較低的技術(shù)，可以為個(gè)體化的大腦健康評(píng)估提供新的工具。同時(shí)，研究還建議未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步探索性別、地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)不平等對(duì)大腦健康的長(zhǎng)期影響，并將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于個(gè)性化醫(yī)學(xué)和大腦健康的全球評(píng)估。

綜上，該研究展示了腦齡差異模型在不同地區(qū)和群體中的應(yīng)用潛力，特別是在全球健康不平等問(wèn)題日益突出的背景下，它為理解和干預(yù)大腦老化提供了一個(gè)全新的框架。

參考文獻(xiàn)

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https://www.nature.com/articles/s41591-024-03209-x

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