Une étude identifie des modèles d'organisation cérébrale distincts chez les femmes et les hommes


Une nouvelle étude menée par des chercheurs de Stanford Medicine dévoile un nouveau modèle d'intelligence artificielle qui a réussi à plus de 90 % à déterminer si les analyses de l'activité cérébrale provenaient d'une femme ou d'un homme.

Les résultats, qui seront publiés le 19 février dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, aider à résoudre une controverse à long terme sur l'existence de différences fiables entre les sexes dans le cerveau humain et suggèrent que la compréhension de ces différences peut être essentielle pour lutter contre les maladies neuropsychiatriques qui affectent différemment les femmes et les hommes.

« L'une des principales motivations de cette étude est que le sexe joue un rôle crucial dans le développement du cerveau humain, dans le vieillissement et dans la manifestation de troubles psychiatriques et neurologiques », a déclaré Vinod Menon, PhD, professeur de psychiatrie et de sciences du comportement et directeur de l'Université de Stanford. Laboratoire de Neurosciences Cognitives et Systèmes. « L'identification de différences sexuelles cohérentes et reproductibles dans le cerveau adulte en bonne santé constitue une étape cruciale vers une compréhension plus approfondie des vulnérabilités spécifiques au sexe dans les troubles psychiatriques et neurologiques. »

Menon est l'auteur principal de l'étude. Les auteurs principaux sont le chercheur principal Srikanth Ryali, PhD, et le chercheur universitaire Yuan Zhang, PhD.

Les « points chauds » qui ont le plus aidé le modèle à distinguer les cerveaux masculins des cerveaux féminins incluent le réseau en mode par défaut, un système cérébral qui nous aide à traiter les informations autoréférentielles, ainsi que le striatum et le réseau limbique, qui sont impliqués dans l'apprentissage et la façon dont nous réagissons aux récompenses. .

Les enquêteurs ont noté que ces travaux ne permettent pas de déterminer si les différences liées au sexe surviennent tôt dans la vie ou si elles peuvent être motivées par des différences hormonales ou par les différentes circonstances sociétales que les hommes et les femmes sont plus susceptibles de rencontrer.

Découvrir les différences cérébrales

La mesure dans laquelle le sexe d'une personne affecte la façon dont son cerveau est organisé et fonctionne a longtemps été un sujet de controverse parmi les scientifiques. Bien que nous connaissions les chromosomes sexuels avec lesquels nous sommes nés, ils aident à déterminer le cocktail d'hormones auquel notre cerveau est exposé – en particulier au cours du développement précoce, de la puberté et du vieillissement – les chercheurs ont longtemps eu du mal à relier le sexe à des différences concrètes dans le cerveau humain. Les structures cérébrales ont tendance à être sensiblement les mêmes chez les hommes et les femmes, et les recherches antérieures examinant la manière dont les régions du cerveau fonctionnent ensemble n'ont pas non plus réussi à trouver des indicateurs cérébraux cohérents du sexe.

Dans leur étude actuelle, Menon et son équipe ont profité des progrès récents de l’intelligence artificielle, ainsi que de l’accès à plusieurs grands ensembles de données, pour poursuivre une analyse plus puissante que celle utilisée auparavant. Tout d'abord, ils ont créé un modèle de réseau neuronal profond, qui apprend à classer les données d'imagerie cérébrale : alors que les chercheurs montraient des scanners cérébraux au modèle et lui disaient qu'il regardait un cerveau masculin ou féminin, le modèle a commencé à « remarquer » ce qui est subtil. les modèles pourraient l’aider à faire la différence.

Ce modèle a démontré des performances supérieures à celles des études précédentes, en partie parce qu'il utilisait un réseau neuronal profond qui analyse les IRM dynamiques. Cette approche capture l’interaction complexe entre les différentes régions du cerveau. Lorsque les chercheurs ont testé le modèle sur environ 1 500 scanners cérébraux, ils ont presque toujours pu déterminer si le scanner provenait d'une femme ou d'un homme.

Le succès du modèle suggère que des différences sexuelles détectables existent dans le cerveau, mais qu'elles n'ont tout simplement pas été détectées de manière fiable auparavant. Le fait que cela ait si bien fonctionné dans différents ensembles de données, y compris des scanners cérébraux provenant de plusieurs sites aux États-Unis et en Europe, rend les résultats particulièrement convaincants car ils contrôlent de nombreuses confusions qui peuvent nuire aux études de ce type.

« C'est une preuve très solide que le sexe est un déterminant important de l'organisation du cerveau humain », a déclaré Menon.

Faire des prédictions

Jusqu'à récemment, un modèle comme celui utilisé par l'équipe de Menon aiderait les chercheurs à trier les cerveaux en différents groupes, mais ne fournirait pas d'informations sur la manière dont le tri s'effectuait. Aujourd'hui, cependant, les chercheurs ont accès à un outil appelé « IA explicable », qui peut passer au crible de grandes quantités de données pour expliquer comment les décisions d'un modèle sont prises.

À l’aide d’une IA explicable, Menon et son équipe ont identifié les réseaux cérébraux les plus importants pour déterminer si un scanner cérébral provenait d’un homme ou d’une femme. Ils ont découvert que le modèle se tournait le plus souvent vers le réseau en mode par défaut, le striatum et le réseau limbique pour passer l'appel.

L’équipe s’est ensuite demandé si elle pouvait créer un autre modèle capable de prédire la performance des participants dans certaines tâches cognitives, en fonction des caractéristiques fonctionnelles du cerveau qui diffèrent entre les femmes et les hommes. Ils ont développé des modèles de capacités cognitives spécifiques au sexe : un modèle prédit efficacement les performances cognitives chez les hommes mais pas chez les femmes, et un autre chez les femmes mais pas chez les hommes. Les résultats indiquent que les caractéristiques fonctionnelles du cerveau qui varient selon le sexe ont des implications comportementales significatives.

« Ces modèles ont très bien fonctionné parce que nous avons réussi à séparer les schémas cérébraux entre les sexes », a déclaré Menon. « Cela me dit que négliger les différences entre les sexes dans l'organisation du cerveau pourrait nous amener à passer à côté de facteurs clés à l'origine des troubles neuropsychiatriques. »

Alors que l’équipe a appliqué son modèle de réseau neuronal profond à des questions sur les différences entre les sexes, Menon affirme que le modèle peut être appliqué pour répondre à des questions sur la façon dont presque n’importe quel aspect de la connectivité cérébrale pourrait être lié à tout type de capacité ou de comportement cognitif. Lui et son équipe prévoient de rendre leur modèle accessible au public pour que tout chercheur puisse l'utiliser.

« Nos modèles d'IA ont une applicabilité très large », a déclaré Menon. « Un chercheur pourrait utiliser nos modèles pour rechercher des différences cérébrales liées à des troubles d'apprentissage ou à des différences de fonctionnement social, par exemple – des aspects que nous souhaitons mieux comprendre pour aider les individus à s'adapter et à surmonter ces défis. »

La recherche a été parrainée par les National Institutes of Health (subventions MH084164, EB022907, MH121069, K25HD074652 et AG072114), l'Initiative transdisciplinaire, les programmes Uytengsu-Hamilton 22q11, le Stanford Maternal and Child Health Research Institute et le NARSAD Young Investigator Award.

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