Искусственный интеллект определяет пол человека по сканам МРТ головного мозга — PNAS

Исследователи разработали модель искусственного интеллекта, которая точно определяет пол человека на основе сканирования мозга с успехом более 90%. Этот прорыв подтверждает теорию о существовании значительных половых различий в организации головного мозга, бросая вызов давним спорам.

Модель искусственного интеллекта была сосредоточена на динамическом МРТ-сканировании, определяя определенные сети мозга, такие как режим по умолчанию, полосатое тело и лимбические сети, которые имеют решающее значение для различения мужского мозга от женского.

Это исследование не только углубляет наше понимание развития мозга и старения, но и открывает новые возможности для устранения гендерных уязвимостей при психических и неврологических расстройствах.

Новое исследование, проведенное специалистами из Стэнфордского медицинского университета (Stanford Medicine), представляет новую модель искусственного интеллекта, которая более чем на 90 % успешно определила, исходило ли сканирование мозговой активности от женщины или мужчины.

Результаты, опубликованные в научном журнале PNAS, помогут разрешить долгосрочный спор о том, существуют ли надежные половые различия в человеческом мозге, и предполагают, что понимание этих различий может иметь решающее значение для лечения нейропсихиатрических состояний, которые по-разному влияют на женщин и мужчин.

«Ключевой мотивацией этого исследования является то, что пол играет решающую роль в развитии человеческого мозга, старении и проявлении психиатрических и неврологических расстройств», — комментирует Винод Менон (Vinod Menon), профессор психиатрии и поведенческих наук и директор Стэнфордского университета.

«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».

«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 столкнуться с большей вероятностью.

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 на раннем этапе развития, полового созревания и старения – исследователи уже давно пытаются связать пол с конкретными различиями в человеческом мозге.

Структуры мозга, как правило, выглядят примерно 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 с соавторами 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, ученые создали модель глубокой нейронной сети, которая 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 шаблоны могут помочь ему заметить 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, то ИИ почти всегда смог определить, было ли сканирование сделано женщиной или мужчиной.

Успех модели предполагает, что обнаруживаемые половые различия действительно существуют в мозгу, но раньше их просто не фиксировали достоверно. 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 устраняет множество ошибок, которые могут мешать исследованиям такого рода.

«Это очень убедительное доказательство того, что пол является надежным детерминантом организации человеческого мозга», — добавляет 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 с соавторами определили мозговые сети, которые были наиболее важны для решения модели о том, было ли сканирование мозга получено от мужчины или от женщины. Ученые обнаружили, что для совершения вызова модель чаще всего обращалась к сети режима по умолчанию, полосатому телу и лимбической сети.

Затем команда ученых 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.

Ученые 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», — объясняет 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 ученых применила свою модель глубоких нейронных сетей к вопросам о половых различиях, Менон считает, 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. Ученые планируют сделать свою модель общедоступной для использования любым исследователем.

«Наши модели ИИ имеют очень широкую применимость», — заключает 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 и преодолевать эти проблемы».

Авторы другого исследования утверждают, что головной мозг женщины и мужчины функционирует по-разному