Старое КТ лёгких может рассказать, как стареют не только кости

ИИ нашёл в обычных снимках показатель, связанный с более быстрыми изменениями мозга

На КТ смотрели лёгкие. Но позвоночник всё это время тоже был в кадре

КТ грудной клетки делают по множеству причин: например, для скрининга рака лёгкого, наблюдения за лёгочными узлами или оценки кальция в коронарных артериях.

Но вместе с лёгкими, сердцем и сосудами на снимок неизбежно попадают и другие структуры. В частности — грудные позвонки.

Обычно информация о плотности их костной ткани не является главной целью такого исследования. Команда Johns Hopkins решила использовать эти уже существующие изображения иначе.

Алгоритм глубокого обучения автоматически рассчитал объёмную минеральную плотность костной ткани — volumetric bone mineral density, или vBMD — в грудных позвонках.

Исходно таким способом были обработаны КТ 2086 участников Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis, крупного многолетнего американского исследования. Для основного анализа исследователи отобрали 715 человек, для которых имелись необходимые данные МРТ мозга и когнитивного тестирования.

Медианный возраст участников составлял 69 лет.

Получился необычный эксперимент: показатель состояния скелета извлекли из снимка, сделанного не для диагностики остеопороза, а затем посмотрели, связан ли он с тем, как менялись мозг и когнитивные способности человека в последующие годы.

Чем ниже была плотность позвонков, тем быстрее снижались когнитивные показатели

Связь обнаружилась.

Более низкая исходная плотность костной ткани была ассоциирована с более быстрым снижением общего когнитивного показателя. Такая же связь наблюдалась и при использовании отдельного стандартизированного теста когнитивных способностей.

Но исследователи располагали не только результатами тестов.

У части участников были повторные МРТ мозга. Поэтому можно было посмотреть, происходят ли одновременно изменения непосредственно в его структуре.

Именно здесь исследование становится особенно интересным.

Белое вещество мозга показало тот же сигнал

Белое вещество можно представить как систему коммуникационных линий мозга. Оно состоит преимущественно из нервных волокон, соединяющих различные его области и позволяющих им быстро обмениваться информацией.

С возрастом структура этих путей может постепенно изменяться.

На МРТ исследователи оценивали два показателя.

Первый — гиперинтенсивности белого вещества. Это яркие участки на определённых режимах МРТ, которые часто связаны с повреждением мелких сосудов и другими возрастными изменениями мозга.

Второй — фракционная анизотропия. Этот показатель получают с помощью диффузионной МРТ: он позволяет косвенно оценить микроструктурную организацию волокон белого вещества. Его снижение может указывать на ухудшение целостности этих проводящих путей.

Повторные данные по этим показателям имелись примерно у 400 участников — существенно меньше, чем во всей исследуемой группе.

Тем не менее исследователи обнаружили региональные связи.

Более низкая плотность позвонков была связана с более быстрым накоплением гиперинтенсивностей в мозолистом теле — крупном пучке нервных волокон, соединяющем два полушария мозга.

Одновременно быстрее снижался показатель фракционной анизотропии в передней ножке внутренней капсулы — ещё одном важном участке проводящих путей мозга.

Эти структуры участвуют в работе сетей, необходимых для внимания, рабочей памяти и исполнительных функций — способности планировать действия, переключаться между задачами и контролировать поведение.

Важно и другое уточнение: связь между низкой плотностью костной ткани и общим снижением фракционной анизотропии была значительно слабее после статистической поправки на множественные сравнения. Более убедительными оказались именно отдельные региональные изменения.

И вот главный поворот: возможно, дело вообще не в костях

Самая простая интерпретация могла бы звучать так: слабые кости каким-то образом способствуют старению мозга.

Но исследование этого не показывает.

Авторы специально предупреждают: из полученных данных нельзя заключить, что остеопороз вызывает деменцию.

Возможна совсем другая картина.

С возрастом на организм одновременно воздействуют метаболические, сосудистые и гормональные изменения. Среди возможных общих факторов авторы называют инсулинорезистентность, нарушения липидного обмена и изменения, связанные с менопаузой.

Они способны затрагивать разные органы и ткани одновременно.

Тогда снижение плотности костной ткани может быть не причиной повреждения мозга, а одним из внешне заметных признаков более широкого системного процесса старения.

Именно это меняет привычную картину.

Мы обычно разделяем возрастные болезни по органам: остеопороз относится к костям, когнитивное снижение — к мозгу, диабет — к обмену веществ, а сосудистые заболевания — к сердечно-сосудистой системе.

Биология старения гораздо меньше уважает эти границы.

Диабет оказался особенно интересным сигналом

Исследователи дополнительно проверили, меняют ли некоторые особенности участников обнаруженные связи.

Для накопления гиперинтенсивностей белого вещества таким фактором оказался диабет: у людей с диабетом связь с низкой плотностью позвонков была выражена сильнее.

Это наблюдение хорошо вписывается в идею общего метаболического механизма, но само по себе его не доказывает.

Диабет связан с множеством процессов — от инсулинорезистентности и воспаления до поражения мелких сосудов. Поэтому установить, какой именно механизм соединяет изменения костей и мозга, по этому исследованию невозможно.

Авторы получили статистическую связь, а не биологическое доказательство причинной цепочки.

Настоящая революция может быть не в связи костей и мозга

У исследования есть ещё один слой, который легко пропустить.

Все необходимые данные о позвонках уже находились на КТ.

Не потребовалось делать участникам дополнительное сканирование только для того, чтобы получить этот показатель. Алгоритм извлёк новую информацию из изображения, которое уже существовало.

Такой подход называют оппортунистическим скринингом (opportunistic screening).

Идея проста: если человек всё равно проходит КТ по медицинским показаниям, почему использовать только небольшую часть информации, содержащейся в изображении?

Позвонки можно оценить с точки зрения плотности костной ткани. Коронарные артерии — с точки зрения кальцификации. Состав тела — по количеству мышечной и жировой ткани. Потенциально один снимок способен дать несколько независимых характеристик здоровья.

Раньше масштабный анализ такой информации требовал огромного количества ручной работы специалистов.

Алгоритмы компьютерного зрения постепенно меняют эту экономику.

ИИ не обязательно должен обнаруживать что-то невидимое человеку. Иногда его главное преимущество гораздо прозаичнее: он способен автоматически измерить тысячи уже видимых структур и превратить «фон» медицинского изображения в количественные данные.

КТ пока не стало тестом на старение мозга

Именно здесь особенно важно не сделать из интересного исследования больше, чем оно показало.

Во-первых, работа наблюдательная. Она выявляет ассоциацию, но не устанавливает причинность.

Во-вторых, это вторичный анализ данных MESA, а не клиническое исследование теста, предназначенного для прогнозирования деменции у конкретного пациента.

В-третьих, повторные показатели МРТ белого вещества имелись только примерно у 400 человек. Поэтому наиболее интересная часть исследования основана на меньшей выборке, чем первоначальные 2086 обработанных КТ.

В-четвёртых, обнаруженные изменения были умеренными. Авторы говорят о связи с ускоренным старением мозга, а не о возможности по плотности одного позвонка определить, у кого разовьётся деменция.

И наконец, исследование ничего не говорит о том, что лечение остеопороза способно замедлить когнитивное снижение.

Для такого вывода потребовались бы совершенно другие исследования.

Старые снимки могут становиться новыми источниками данных

Сегодня медицинское изображение обычно получают для ответа на конкретный вопрос.

Есть ли опухоль? Как выглядит лёгочный узел? Насколько выражено поражение сосудов?

Но сам снимок содержит гораздо больше информации.

По мере развития алгоритмов анализа изображений медицина получает возможность возвращаться к уже существующим данным и задавать им новые вопросы.

В исследовании Johns Hopkins таким дополнительным показателем стала плотность грудных позвонков. Она оказалась связана не только с состоянием скелета, но и с последующей динамикой когнитивных функций и некоторых характеристик белого вещества мозга.

Это пока не диагностический тест и не способ предсказать деменцию.

Но это хороший пример того, как меняется сама концепция медицинского снимка: из фотографии одного органа он постепенно превращается в массив данных о состоянии всего организма.