Une étude du BBRC utilise l'intelligence artificielle pour valider un nouveau biomarqueur du vieillissement cérébral
Une équipe dirigée par le Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), un centre de recherche de la Fondation Pasqual Maragall, a mis au point un nouveau biomarqueur du vieillissement cérébral basé sur plus de 22 600 images de résonance magnétique. Ce nouveau biomarqueur a permis de démontrer, pour la première fois, que la présence d'altérations pathologiques dans la maladie d'Alzheimer est associée à un vieillissement cérébral accéléré, même chez des personnes en bonne santé cognitive.
Les résultats de l'étude, qui bénéficie du soutien de la Fondation "la Caixa", permettent de mieux comprendre la relation entre le processus de vieillissement cérébral et les maladies neurodégénératives, une priorité urgente pour développer des stratégies efficaces face au vieillissement croissant de la population.
Les biomarqueurs sont des mesures objectives qui fournissent des informations sur une maladie ou un processus biologique. Dans le cas du vieillissement cérébral, certaines caractéristiques morphologiques, telles que l'altération de l'épaisseur ou du volume dans des régions spécifiques du cerveau, peuvent indiquer un vieillissement accéléré. Les scientifiques ont utilisé un modèle d'apprentissage automatique pour analyser ces paramètres à partir de l'imagerie par résonance magnétique.
Cette étude est la première à démontrer l'association entre l'âge biologique du cerveau et la présence de biomarqueurs et de facteurs de risque de la maladie d'Alzheimer (tels que la présence de protéines bêta-amyloïde et tau ou le génotype APOE-ε4) chez un total de 2 314 personnes en bonne santé cognitive ou souffrant de troubles cognitifs légers. L'étude montre également la relation entre le vieillissement du cerveau et les marqueurs de la neurodégénérescence et de la pathologie cérébrovasculaire. Les résultats, publiés dans la revue scientifique Elife, font de ce nouvel indicateur un outil potentiellement utile pour le diagnostic de diverses maladies cérébrales.
L'intelligence artificielle : une approche pionnière dans l'étude de la maladie d'Alzheimer
La différence entre l'âge chronologique (le temps écoulé depuis la naissance) et l'âge biologique du cerveau (calculé à partir de techniques de neuro-imagerie) permet d'estimer si le cerveau a vieilli plus vite que prévu. C'est ce qu'on appelle le delta d'âge cérébral (delta d'âge cérébral), qui est un indicateur du vieillissement biologique du cerveau. Les personnes dont l'âge cérébral est estimé supérieur à leur âge chronologique peuvent avoir un cerveau plus "vieux" que prévu, tandis qu'une personne dont l'âge cérébral est estimé inférieur à son âge chronologique aurait un cerveau plus "jeune".
"Bien que l'âge soit le principal facteur de risque de la maladie d'Alzheimer et de la plupart des maladies neurodégénératives, les mécanismes biologiques qui expliquent cette association sont encore mal compris", explique Irene Cumplido, chercheuse pré-doctorale au sein du groupe de recherche en neuroimagerie du BBRC et première auteure de l'article. "Pour l'étude de l'âge, il est nécessaire de disposer de marqueurs objectifs du vieillissement biologique du cerveau, au-delà de l'âge chronologique, de la même manière que des biomarqueurs sont disponibles pour la maladie d'Alzheimer", souligne-t-elle.
Dans ce travail, l'équipe de recherche a entraîné un modèle prédictif pour calculer l'âge du cerveau chez des femmes et des hommes en bonne santé, en utilisant plus de 22 000 mesures obtenues par imagerie par résonance magnétique. Ces images proviennent de la UK Biobank, une base de données biomédicales à grande échelle contenant des informations génétiques et sanitaires sur un demi-million de participants britanniques.
C'est la première fois que le BBRC applique des techniques d'apprentissage automatique à l'étude du vieillissement cérébral, une méthodologie qui a récemment gagné en popularité grâce à sa capacité à identifier des modèles pertinents à partir de données complexes. "Ces modèles apprennent l'association entre l'âge chronologique et les caractéristiques morphologiques du cerveau extraites de l'imagerie par résonance magnétique, ce qui permet de prédire l'âge du cerveau pour chaque individu", explique Verónica Vilaplana, professeure associée au département de théorie du signal et des communications de l'Université polytechnique de Catalogne et également auteure de l'étude.
"Ces deux dernières années, de plus en plus de recherches se sont concentrées sur l'utilisation des techniques de neuro-imagerie pour développer un marqueur du vieillissement biologique du cerveau", explique le Dr Juan Domingo Gispert, chef du groupe de recherche en neuro-imagerie au BBRC. "Contrairement aux études précédentes, le nouveau biomarqueur que nous avons développé est validé par rapport à plusieurs marqueurs biologiques et facteurs de risque associés au vieillissement. Notre étude démontre donc la validité de notre méthode en tant que biomarqueur du vieillissement biologique du cerveau, avec une pertinence pour plusieurs maladies neurodégénératives".
La plus grande cohorte de prédiction de l'âge du cerveau à ce jour
L'étude a utilisé un total de 22 661 mesures provenant d'images de l'ensemble de données de la biobanque britannique pour prédire l'âge du cerveau chez plus de 2 300 personnes en bonne santé ou souffrant de troubles cognitifs légers, issues de quatre cohortes indépendantes : ALFA+, soutenue par la Fondation "la Caixa" (380 personnes), ADNI (719 personnes), EPAD (808) et OASIS (407).
"Nous savons que dans les troubles neurodégénératifs tels que la maladie d'Alzheimer, un vieillissement accéléré du cerveau a été constaté, mais il était nécessaire de comparer ces données avec des marqueurs biologiques spécifiques de la maladie", explique Cumplido. Pour ce faire, les chercheurs ont étudié les associations entre le vieillissement accéléré du cerveau et divers biomarqueurs et facteurs de risque de la maladie d'Alzheimer chez des individus sains, tels que la présence de protéines bêta-amyloïde et tau, le génotype APOE-ε4, le principal facteur de risque génétique de la maladie d'Alzheimer, et d'autres marqueurs de neurodégénérescence et de maladie cérébrovasculaire. Une analyse stratifiée par sexe a également été introduite pour étudier les différences entre les hommes et les femmes en ce qui concerne l'âge du cerveau.
L'estimation du vieillissement accéléré du cerveau a été associée à des dépôts anormaux de bêta-amyloïde, à des stades plus avancés de la pathologie d'Alzheimer et à la présence du génotype APOE-e4 ; des résultats particulièrement utiles pour d'éventuelles interventions de prévention.