Néptáncba épített fejlesztőprogrammal lassítanák magyar agykutatók az elme öregedését

A „jutalomvezérelt erőfeszítés-allokáció kognitív kontrolljának idegi alapjai és öregedéssel járó károsodása” címmel folyik az ön vezetésével egy kutatás a HUN-REN Természettudományi Kutatóközpontban a Nemzeti Agykutatás Program 3.0 (NAP 3.0) keretében. A NAP 2.0 programban is az agyi jutalmazó rendszer szerepével és a kognitív öregedéssel foglalkoztak, míg a NAP 1.0-s kutatásuk a figyelem és öregedés fMRI-módszerekkel történő vizsgálatára fókuszált. Jól látható tehát, hogy egymásra épülő kutatásokról van szó. Hogyan kapcsolódnak össze ezek a témák, hogyan rajzolható fel a kutatássorozat íve?

Nagy szerencsénk, és hatalmas segítség a számunkra, hogy mindhárom NAP programban részt tudtunk és tudunk venni. A Természettudományi Kutatóközpont Agyi Képalkotó Központjának fő eszköze, fő infrastruktúrája egy mágneses rezonanciás képalkotó készülék, egy háromteslás Siemens Magnetom Prisma MR-berendezés, amelyet annak idején a NAP 1.0 támogatásával szereztünk be. Tehát egy nagyon lényeges részét a beszerzésnek a NAP 1.0 finanszírozta, azaz nélküle nem jött volna létre itt az a kutatás-fejlesztési MR-központ, ami Magyarországon azóta is egyedülálló. A NAP 1.0 idején a munkánk nagy részét a módszerek fejlesztése, beállítása tette ki. Ennek köszönhetően ma olyan kutatási módszereket tudunk használni, amelyek Magyarországon akkor még nem voltak elérhetőek. A többi MR-készülék klinikákon, kórházakban működik gyógyászati céllal, és csak részben használhatják őket kutatók, ezért az elsődleges célunk az volt, hogy legyen egy kifejezetten kutatási célokra használható MR-központ.

A NAP első fázisában azt próbáltuk meg elérni, hogy a legkurrensebb, legmodernebb módszereket implementáljuk, ezeket tudjuk használni, és eközben születtek nagyon izgalmas, módszertani közlemények. A kutatások jelentős része módszertani jellegű volt, és ekkor születtek az első magyarországi MR-fizikai közlemények is. Emellett a BME-vel, valamint a würzburgi Fraunhofer Intézet MR-fejlesztési egységével való szoros együttműködés révén sikerült az MR-fizika területén kutató PhD-hallgatókat bevonni a központban futó kutatás-fejlesztési projektekbe. Ezzel párhuzamosan voltak humán agykutatási témáink is, amelyek fókuszában a magasabb szintű kognitív folyamatok idegrendszeri háttere állt. Akkor a fiatalokra, a munkamemóriára fókuszáltunk még, azt a képességünket vizsgáltuk, hogyan tud az agyunk aktívan, rövid távon információt tárolni, azt manipulálni és egy következő eseményhez fölhasználni. Például hogyan történik a beérkező, rendkívül gazdag vizuális információból az aktuális cselekvés szempontjából releváns részek kiválasztása, rövid idejű tárolása, illetve az irreleváns információk kiszűrése. Ez a kérdés több szempontból is jelentős, mivel az irreleváns ingerek kiszűréséért felelős figyelmi és munkamemória-funkciók károsodása központi szerepet játszik mind az ADHD esetében megfigyelhető kognitív zavarokban, mind pedig az öregedés során fellépő kognitív képességromlásban. Ezt tudtuk már mélyebben megvizsgálni a NAP 2.0 során, különböző módszereket integrálva. Az volt nagyon fontos, hogy az MR rendkívül izgalmas és rendkívül jó módszer arra, hogy megnézzük, egy adott funkció hova lokalizálható az agyban, melyek azok az agyi régiók, amelyek részt vesznek ennek a kognitív folyamatnak a megvalósításában.

Milyen módszereket integráltak?

Sajnos a funkcionális MR-készülékek (fMRI) időbeli felbontása elég korlátos, egy vagy inkább csak két másodpercenként történik a mintavételezés. Ehhez képest az agysejtek, sőt még az egyes agyterületek közötti információáramlás is nagyságrendekkel gyorsabb, tipikusan a 10 milliszekundumos tartományban zajlik. Ez olyan korlát, amit vállalnunk kell, tudomásul véve, hogy az MR ezen a területen nem túl jó. Ezért kombináljuk egy másik képalkotó módszerrel, az elektroenkefalográfiával (EEG), aminek ugyan rosszabb a térbeli felbontása, csak durva közelítéssel tudja megállapítani, honnan érkezik a jel, viszont időben milliszekundumos tartományban tud mérni.

Vidnyánszky Zoltán neurobiológus Fotó: HUN-REN TTK

Kidolgoztunk egy módszert, amellyel ugyanazt a feladatot párhuzamosan MR-ben és EEG-ben végeztetjük el a kísérleti személyekkel, és megpróbáljuk a kapott, különböző modalitásokból származó információt integrálni, hogy az adott kognitív folyamatot, az adott kognitív mechanizmust minél pontosabban tudjuk időben és térben elemezni. Született is néhány nagyon fontos eredményünk a munkamemória területén, majd innen folytatódtak tovább a módszertani fejlesztéseink.

Fontos hangsúlyozni, hogy Magyarországon a humán agyi képalkotásnak nem alakult ki számottevő hagyománya. Ezen a területen nem volt olyan nemzetközileg is élenjáró, meghatározó tudásbázis és kutatási tradíció, mint amilyen az állatmodelleken végzett, funkcionális neuronanatómiai kutatások terén a Szentágothai-, Somogyi- vagy Freund-iskolákhoz kötődött, és kötődik mind a mai napig. Számunkra az volt az első nagy feladat, hogy felépítsük az infrastruktúrát és a hozzá tartozó humánerőforrást, ami üzemeltetni tudja. Amikor elindultunk, az átlagéletkor 30 év alatt volt az egész központban, nagyon sok nagyon lelkes fiatallal építettük föl mindezt. A NAP második fázisa már a konszolidáció időszaka volt, amikor sikerült nagyon komoly, nemcsak módszertani eredményeket elérni.

Milyen lépéseket tesznek a NAP 3.0-ban, hogyan épülnek ezek a korábbi kutatási fázisokra, és milyen kihívásokkal szembesülnek?

Az elmúlt tíz év kihívásokkal teli időszak volt a humán agyi képalkotás, különösen az MR-alapú módszerek számára, mivel számos korábbi eredményt nem sikerült megismételni, reprodukálni. Bár hasonló jelenség más tudományterületeken is előfordul, a fMRI esetében ez a probléma különösen nagy figyelmet kapott. Ennek oka elsősorban az, hogy az fMRI nem közvetlenül az idegi aktivitást méri, hanem az idegi aktivitás következtében fellépő vérátáramlási és véroxigénszint-változásokat. Emiatt sokan – többek között a Nature folyóirat szintjén is – kifejezték kételyeiket, hangsúlyozva, hogy tisztázni kell, mely eredmények tekinthetők valóban robusztusnak és reprodukálhatónak az fMRI-kutatásokban. E problémák hatására jelentős módszertani fejlesztések kezdődtek, amelyek célja a terület hitelességének megerősítése.

A felmerülő kétségek ellenére az fMRI ma is az egyik legdinamikusabban fejlődő agyi képalkotó eljárás, amit jól szemléltet az évente több ezer megjelenő publikáció. Népszerűségének fő oka, hogy egészséges önkénteseken agyi kutatások jelenleg szinte kizárólag fMRI-vel végezhetők. Alternatívaként a pozitronemissziós tomográfia (PET) állna rendelkezésre, azonban a PET-technológia invazív jellegű, lényegesen gyengébb a térbeli felbontása, és radioaktív izotópok beadását igényli. Ezzel szemben az MR-módszerek nem invazívak, így akár újszülötteken is ismételten alkalmazhatók. Éppen ez a nem invazív jelleg adja az MR-technológiák hatalmas előnyét, ami egyben szükségessé teszi azokat a módszertani fejlesztéseket, amelyek biztosítják, hogy ez az értékes képalkotó módszer hosszú távon is tudományosan hiteles és támadhatatlan maradjon.

A NAP 2.0 és a NAP 3.0 közti időszakban két út rajzolódott ki a nemzetközi kutatásokban, amelyekben mi is részt vettünk, és amelyekben ezek a kérdések felmerültek. Vagy nagyon sok embert, akár ezer főt vizsgálunk ugyanarra a kognitív folyamatra, egy bizonyos általános jellemzőre, hogy például a szorongás vagy az impulzivitás milyen agyi területekkel, milyen agyi struktúrákkal függ össze. Ehhez nagyon sok emberre van szükség, mert elég nagy a variabilitás, sok a jelben a zaj, a humán kognitív folyamatok pedig folyamatosan dinamikusan változnak, sok függ az egyéntől, hogy milyen állapotban van mérés közben, reggel, délben vagy délután, este. Nagyon körültekintően kell dolgozni, miközben nagyon nagy mintát kell gyűjteni. Ezért jöttek létre olyan hatalmas adatbankok, mint például a UK Biobank, amelyben több mint 60 ezer kutatható MR-felvétel van, és amelyhez már nekünk is van hozzáférésünk. Ilyet természetesen NAP-projektből nem lehet megvalósítani, de gyakorlatilag sehol máshol a világban sem. Ezek hatalmas állami programok, sok tízmillió font vagy euró befektetéssel valósulnak meg.

A másik lehetőség, ami kisebb kutatóegységek esetén egyre inkább előtérbe került, hogy specifikusan, személyre szabottan, mély, precíziós mintavételezéssel kutatjuk az agyi mechanizmusokat, és jellemezzük a különböző agyi funkciókat, pszichológiai vagy kognitív folyamatokat. Ennek is nagy ára van, egy embernek 10-15, sőt akár 30-40 órát is rá kell szánnia egy ilyen precíziós MR-vizsgálatra, ami nem egyszerű, mert egy-egy alkalommal legalább egy órát kell a készülékben feküdni mozdulatlanul. Mi ezt tűztük ki célul, és a döntésünk helyessége mára igazolódni látszik, mert már most nagyon szép eredményeink vannak.

Hol tartanak most?

Megvalósult az adatgyűjtés, most fejezzük be a kutatások első fázisát, folyamatban van az eredmények publikálása. Ezenkívül bővült is a NAP harmadik fázisa: az önkéntes fiatalokhoz becsatoltuk az időseket is. A központunknak gyakorlatilag a neurokognitív öregedés megértése lett a fő kutatási területe, nagyon keveset tudunk ugyanis arról, hogy miképp változnak a kognitív és a neurális folyamatok időskorban, mik ennek az alapmechanizmusai. Tudjuk, hogy általában minden romlik, de hogy pontosan mi és hogyan romlik, arról keveset tudunk. Ami még fontosabb, hogy nem tudjuk, miért rezisztens a populáció körülbelül 10 százaléka, hogyan áll ellen a klasszikus öregedési tüneteknek akár 80 évig is, teljesen épen és jól működően megőrizve a kognitív teljesítményét. Próbáljuk megérteni, mely folyamatok teszik ellenállóvá az agyat az amúgy általános öregedési folyamattal, azzal a kihívással szemben, amit a szervezet öregedése jelent. Tudjuk, hogy az emberi testben mikroszkopikus és makroszkopikus szinten is minden változik az öregedéssel, de bizonyos esetekben ezt valahogy sikerül az agynak kompenzálni. Nagyon izgalmas, hogy sok esetben jól látjuk az agy öregedésének anatómiai jeleit, a kognitív funkciókban mégsem érzékelünk károsodást. Ezt tényleg csak mélységében, személyre szabottan lehet kutatni.

A HUN-REN TTK Agyi Képalkotó Központjának kutatócsoportja Fotó: HUN-REN TTK

A NAP 3.0 keretében folytatott kutatásaink fő célja annak megértése, hogy az öregedéssel járó kognitív károsodás milyen mértékben magyarázható egyes specifikus kognitív funkciók – például a munkamemória vagy a tárolási kapacitás – romlásával, illetve mennyiben tulajdonítható inkább annak, hogy csökken a feladat sikeres végrehajtásához szükséges motiváció és a megfelelő kognitív erőfeszítés allokációja. Ez utóbbi tényező szabályozását az agyi jutalmazási/motivációs rendszer végzi, amely meghatározza, hogy az egyén mekkora erőfeszítést hajlandó befektetni, illetve mennyire motivált egy adott kognitív feladat elvégzésére. Kutatásunk során sikeresen implementáltuk az agyi motivációs rendszer strukturális és funkcionális szerveződésének, valamint integritásának egyéni szintű mérésére alkalmas, legkorszerűbb MRI-módszereket, melyek alkalmazásával számos jelentős új eredményt értünk el.

Ezek szerint nem annyira a populáció nagy csoportjaira, hanem inkább az egyénre koncentrálnak?

Igen, kutatásainkban ezt a precíziós agyi képalkotási megközelítést alkalmazzuk, amelyet összekapcsoltunk egy másik, a HUN-REN támogatásával zajló, időskori intervenciós kutatásunkkal. Ezáltal reményeink szerint lehetőségünk nyílik arra, hogy feltárjuk az agy motivációs rendszere és a specifikus kognitív funkciók öregedés során bekövetkező hanyatlása közötti ok-okozati összefüggéseket. Léteznek ugyan keresztmetszeti vizsgálatok, amelyekben fiatalok és idősek összehasonlításával próbálunk bizonyos funkcióbeli különbségeket azonosítani, ám ezekből nehéz pontosan meghatározni, mi áll a tapasztalt eltérések hátterében. Sokkal hatékonyabb és pontosabb megközelítés az, amikor ugyanazon személyen belül vizsgáljuk meg a változásokat, és azonosítjuk azokat a folyamatokat, amelyek pozitív vagy negatív irányba befolyásolják az öregedést. Mivel azonban maga az öregedési folyamat akár 10-15 évet is igénybe vehet, ennek nyomon követése nehéz, rendkívül költséges, és csak hosszú távon hozhat eredményt.

Ezért vetjük be az úgynevezett multimodális életmód-intervenció eszközét: olyan, fizikai és szellemi foglalkozásokra épülő programot építünk föl, amely egyúttal a társas kapcsolatokat is támogatja. Ezt mi a néptáncba integráltuk, a néptánc régóta ismert közösségteremtő és motivációs képességét használjuk ki és építjük fel úgy, hogy nagyon sok benne a fizikai aktivitás, a tanulás, azaz folyamatosan tánclépéseket, népdalokat, finom mozgáskoordinációt tanulnak a programban részt vevők. Gyakorlatilag beépítjük az életükbe ezt a fejlesztő programot, és figyeljük a hatását. Már megvolt az előzetes mérés, amit az intervenció követett, és most május–júniusban lesz a második, utólagos mérés. Reményeink szerint a NAP keretében kidolgozott paradigmák és módszerek lehetővé teszik, hogy feltárjuk az agy motivációs rendszerének szerepét az öregedési folyamatok lassításában, illetve egyes agyi funkciók kedvező irányú módosításában az intervenció segítségével. Ezáltal fontos új ismereteket szerezhetünk azokról az adaptív agyi mechanizmusokról, amelyek növelik az agy ellenálló képességét az öregedéssel szemben.

A demencia korunk egyik legnagyobb társadalmi és a gazdasági terhet jelentő népbetegsége. Világszerte több mint 50 millió embert érint, hosszú évekre súlyos terhet róva az érintett családokra, mivel a demenciában szenvedők folyamatos gondozásra és támogatásra szorulnak. Hogyan segíthetnek ebben önök, kutatók?

Jelenleg nincs hatékony gyógymód a demencia kialakulása ellen. Bár megjelentek új, engedélyezett gyógyszerek, ezek hatékonysága korlátozott, csak a betegek kis százalékánál alkalmazhatók. Az, hogy a következő 5-10 évben várható-e áttörés ezen a területen, egyelőre bizonytalan.

A hatékony gyógyszeres kezelés hiányában az utóbbi években a kutatások fókuszába a megelőzés került. Ezek közül a legismertebb a Finnországban és Svédországban indult FINGERS program, amely a világ első komplex, multimodális időskori életmód-támogató programja, amelyhez mára több mint 70 ország csatlakozott. A FINGERS egyszerre támogatja és vizsgálja a fizikai aktivitás, a szellemi tevékenység, az egészséges táplálkozási szokások és a társas kapcsolatok megőrzésének hatását az idős emberek mentális egészségére és agyi funkcióira. Kutatási eredményeik szerint egy megfelelően összeállított életmódprogram akár 40 százalékkal is csökkentheti a demencia kialakulásának kockázatát az időseknél.

Központunk tavaly csatlakozott a FINGERS kutatási hálózathoz, és a saját intervenciós programunkat kiegészítettük a NAP keretében kifejlesztett precíziós kutatási módszerekkel. Célunk az, hogy az átfogó életmódváltást eredményező intervenció neurokognitív hatását egy randomizált kontrollcsoportos klinikai vizsgálat keretében a korábbiaknál sokkal pontosabban, egyéni szinten vizsgáljuk precíziós strukturális és funkcionális MRI-módszerekkel. Tavaly 40 aktív és 40 kontrollcsoportos időskorú önkéntessel indítottuk el a programunkat. Az előzetes kutatások, valamint állatmodelleken végzett vizsgálatok alapján a motivációs és jutalmazási rendszer bizonyult a legjobban befolyásolhatónak, ezért erre fókuszálunk. A résztvevők fél éven át heti háromszor vesznek részt egyórás, néptáncba épített fejlesztő foglalkozáson. A kiválasztás során 65–75 év közötti, nem feltétlenül teljesen egészséges, hanem az öregedéssel kapcsolatos kockázatú időseket választottunk ki. Az első fél éves periódus májusban ér véget, ekkor elvégezzük a második mérést. Mivel a vizsgálatban részt vevők lelkesedése minden várakozásunkat felülmúlta, és az eddigi eredmények is nagyon ígéretesek, terveink szerint egy évvel meghosszabbítjuk a vizsgálatot.

A HUN-REN TTK Agyi Képalkotó Központja Fotó: HUN-REN TTK

Az elmúlt évek kutatásai világossá tették, hogy időskorban a társas kapcsolatok fenntartása kulcsfontosságú a demencia megelőzésében, miközben a legfőbb kockázati tényező az izoláció. Látható, hogy nyugdíjazás után a társas kapcsolatok drasztikus csökkenése jelentős állapotromlást okozhat már rövid távon is. Saját programunk eredményeit látva, módszereink sikerességében bízva optimisták vagyunk a jövőbeli eredményeket illetően.

Túl van a félidőn a NAP 3.0. Mit tartana a kutatásuk pozitív vagy kívánatos kimenetelének?

Reményeink szerint az általunk alkalmazott precíziós képalkotó megközelítés jelentős új ismeretekkel járul majd hozzá azoknak az időskori agyi adaptív mechanizmusoknak a mélyebb megértéséhez, amelyek a kognitív képességek öregedéssel összefüggő, egyénenként eltérő változásainak neurális alapját képezik, valamint feltárja az életmóddal való hatékony befolyásolásuk lehetőségeit.

Minden klinikai vizsgálatnak vannak úgynevezett elsődleges kimeneti, eredményességi mutatói, amelyekkel mérni kívánjuk a vizsgálat hatékonyságát. Az agyi öregedési folyamatok egyik legstabilabb és legjobb markerei az egymástól elkülönülten, de azért egymással összhangban dolgozó, különböző funkciókra specializálódó nagy agyi hálózatok. Van, ami szenzoros, tehát az érzékeléssel, a látással, hallással kapcsolatos funkciókat irányítja, van, ami az agy figyelmi és végrehajtó funkcióiért felelős. Amíg egészséges, fiatal, és jól működik az agy, addig ezek a hálózatok jól elkülönülnek, és mindegyik specifikusan a saját feladatát végzi. Ezt úgy kell elképzelni, mint a futballt. Egy csapat akkor működik jól, ha a pályán vannak hátvédek, középpályások és csatárok. Ha jól definiáljuk a feladataikat, szépen elvégzik őket, miközben egymásnak passzolgatnak, segítik egymást és a csapatot. Ha nincs jól definiálva, kinek mi a feladata, nem tudja mindenki a helyét a pályán, akkor elkezd mindenki mindent csinálni, és a végén kikap a csapat. Úgy látjuk, hogy időskorban a specializáció megbomlik, a szegregált, differenciált agyi hálózatrendszer elkezd kicsit mindent is csinálni. Ezért nem olyan kiélezett, nem olyan gyors és nem olyan hatékony, mint fiatalkorban. Mivel ez az egyik legadaptívabb része az agyi rendszereknek, alkalmas lehet arra, hogy intervencióval, egészséges életmódváltással picit visszatereljük a jó irányba.

Az fMRI az egyedüli módszer, amivel ezeket a nagy hálózatokat emberben nem invazív módon vizsgálni tudjuk. Az állatkísérletekben elterjedt kutatási módszerek, mint például az elektrofiziológia, általában egy-egy speciális területre fókuszálnak, de látjuk, hogy az agy nem izoláltan működik, hanem olyan nagy rendszerként, amely egy kicsit kapcsolatban van mindennel, speciális hálózatokba kötve. Ez az egyik fő célunk, hogy markereket, olyan módszereket állítsunk be, amelyekkel előre jelezni tudjuk és kimutathatóvá tesszük az öregedés során bekövetkező károsodás mértékét, hogy hogyan hanyatlik e hálózatok működése, és hogyan lehetne rajtuk változtatni újra, akár személyre szabottabban.

A NAP keretében külön vizsgálunk egy speciális agyi hálózatot, az úgynevezett szalienciahálózatot (salience network). Az ebbe a hálózatba tartozó agyterületek – például az anterior insularis kéreg, az anterior cinguláris kéreg és a ventrális striátum – felelősek azoknak az ingereknek és eseményeknek a feldolgozásáért, amelyek különösen fontosak vagy feltűnőek (szaliensek) a viselkedésünk és a döntéseink szempontjából. Ilyen ingerek lehetnek a jutalmak, az új és váratlan események vagy bármilyen környezeti változás, amely eltér attól, amit előre megjósoltunk.

A jelenlegi domináns idegtudományi elmélet szerint az agy egy nagy előre jelző (predikciós) gép. Fejlődésünk során tanulási folyamatokon keresztül kialakul egy belső, úgynevezett generatív világmodell, amely a tapasztalatok alapján leképezi környezetünket, és folyamatosan előrejelzéseket készít arról, hogy mi fog történni a következő pillanatokban. Ez egy rendkívül hatékony folyamat, mivel képtelenség minden kívülről érkező információt teljes részletességgel feldolgozni. Az agy ezért elsősorban nem a beérkező ingereket dolgozza fel részletesen, hanem azt, hogy ezek az ingerek mennyiben térnek el a belső modell által generált predikcióktól – tehát a predikciós hibát értékeli. Éppen ezért minden váratlan inger vagy jutalom nagy predikciós hibaként jelenik meg a szalienciahálózat aktivitásában.

A NAP keretében zajló kutatásunk során azt vizsgáljuk, hogy az általunk alkalmazott intervenció hogyan hat a szalienciahálózatra, és miként fordítható át ez a hatás motivációvá. Ez azért különösen fontos, mert időskorban a motiváció patológiás csökkenése apátiaként jelentkezhet, amikor az egyén passzívvá válik, nem kezdeményez, nem tűz ki célokat, és nem keresi az új kihívásokat. A szalienciahálózat a motivációs folyamatok neurális alapját képezi, így hipotézisünk szerint vizsgálatával objektíven mérhető, hogy intervenciónk mennyire képes pozitívan befolyásolni az idős emberek motivációs rendszerét.

Az utóbbi években rengeteget fejlődtek a neurológiai kutatásokban használt MI-eszközök, korábban ön is úttörő szerepet vállalt a mesterséges intelligencia fMRI-adatok analízisére történő alkalmazásában. Milyen új fejleményekről lehet beszámolni ezen a területen?

A NAP második szakaszának fókuszában a mesterséges intelligencia alkalmazása állt. Az MR-alapú képalkotó eljárások hihetetlen mennyiségű és rendkívül összetett adatot generálnak. Egyetlen MR-felvétel háromdimenziós, 1×1×1 milliméteres térbeli felbontású képet biztosít, ami hatalmas információtömeget jelent az agyról. Ekkora adatmennyiséget ma már pusztán kvalitatív módszerekkel lehetetlen feldolgozni, az fMRI-adatok elemzése pedig még ennél is komplexebb. Ezért kezdtünk el olyan gépi tanulási algoritmusokat, illetve mesterséges intelligencián alapuló módszereket fejleszteni, amelyek lehetővé teszik ezeknek az adatoknak a pontosabb és hatékonyabb feldolgozását.

A HUN-REN TTK Agyi Képalkotó Központja Fotó: Szigeti Tamás / MTA

Elsőként kidolgoztunk egy olyan gépi tanulási eljárást, amely képes az agy funkcionális konnektivitását, vagyis az agyterületek közötti funkcionális kapcsolatokat automatikusan és igen pontosan jellemezni. Ehhez mélytanulási hálózatokat alkalmaztunk, amelyek akkoriban még újdonságnak számítottak, és a mai napig az orvosbiológiai képalkotás egyik legfontosabb gépi tanulási megközelítését jelentik. Mi ezt a technológiát továbbfejlesztettük, több tízezer agyi MR-felvételen tanítottuk be, így végül képessé vált arra, hogy egyszerű anatómiai MR-felvételek alapján megjósolja például az alany életkorát vagy testtömegindexét, amely fontos biomarkernek is tekinthető.

A NAP 3.0-ban továbbvittük kutatásaink ezen irányát, célunk, hogy mesterséges intelligencia segítségével az agy biológiai életkora alapján már egészen korai stádiumban előre jelezhessünk különböző betegségeket, amikor még sem viselkedéses, sem kognitív tünetek nem mutatkoznak. Ezzel a módszerrel előre megjósolhatóvá válhat akár egy életmód-intervenció hatékonysága is. Például a demencia kialakulását rendszerint egy akár 10 évig tartó preklinikai fázis előzi meg. Célunk, hogy már ebben a korai időszakban felismerjük azokat az agyi jeleket, amelyekből nagy pontossággal előre jelezhető, mi várható 10 év múlva. Az agy mesterséges intelligenciával becsült biológiai életkora így kiemelten fontos potenciális biomarkerré válhat.

Hogy néz ez ki a gyakorlatban?

Az algoritmust több mint 100 ezer MR-felvétel segítségével megtanítjuk, hogyan néz ki a különböző korosztályok agya. Ezután jöhet az egyedi öregedési profil meghatározása: mutatunk neki egy addig nem látott, általa fel nem dolgozott, teljesen új, egyedi felvételt, megkérdezzük, hogy szerinte hány éves. Az általa meghatározott életkort összevetjük a kronológiai életkorral, ha fiatalabbnak tippelte az agyat, mint ahány éves valójában, akkor örülünk, ha öregebbnek, akkor pedig látjuk, hogy gond van, előrehaladott öregedéssel van dolgunk. Ha valaki például Alzheimer-kórban szenved, akkor 70 évesen 80-85 évesnek becsüli az agyát a hálózat.

Hihetetlen, de gyakorlatilag nincs két ugyanúgy öregedő ember, mindenkinek van egy saját profilja. Már a születés előtti időszak, az édesanya egészsége, a terhességtörténet is befolyásolja, ki hogyan öregedik. Ezekkel az MI+MR-módszerekkel meg lehet vizsgálni, ki hol tart, lehet predikciókat készíteni, vannak olyan gépi tanulási modellek, amelyek segítségével megjósolható a demencia progressziója, és típusokat lehet képezni. Ami még izgalmas, hogy mi ezt a módszert próbáljuk az intervencióban is bevetni, és megnézni, sikerül-e egy kicsit visszafiatalítani az illetőt vagy legalábbis lassítani az agy előrehaladott öregedését. Ez lesz az egyik nagyon várt eredményünk. Akiket bevontunk a kutatásba, azoknak az intervenció – azaz a néptáncos foglalkozások kezdete – előtt megmértük az agyi biológiai életkorát MR-módszerek, gépi tanulás és mesterséges intelligencia segítségével, és a végén megnézzük, hogy van-e ehhez képest valami változás. Ez lesz az első ilyen alkalom, úgyhogy nagyon várjuk már az első eredményeket.