Utilizamos inteligencia artificial para validar un nuevo biomarcador del envejecimiento del cerebro

Un equipo liderado por el Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), centro de investigación de la Fundación Pasqual Maragall, ha desarrollado un nuevo biomarcador de envejecimiento cerebral basado en más de 22.600 imágenes por resonancia magnética. Este nuevo biomarcador ha permitido demostrar, por primera vez, que la presencia de alteraciones patológicas de la enfermedad de Alzheimer está asociada a un envejecimiento cerebral acelerado, incluso en personas cognitivamente sanas.

Los resultados del estudio, que cuenta con el impulso de la Fundación ”la Caixa”, ayudan a entender mejor la relación entre el proceso de envejecimiento cerebral y las enfermedades neurodegenerativas, una prioridad urgente para desarrollar estrategias eficaces ante el envejecimiento creciente de la población.

Los biomarcadores son medidas objetivas que aportan información sobre una enfermedad o proceso biológico. En el caso del envejecimiento del cerebro, ciertas características morfológicas, como pueden ser un grosor o volumen alterados en regiones concretas del cerebro, pueden indicar un envejecimiento acelerado. Los investigadores han utilizado un modelo de aprendizaje automático para analizar estos parámetros a partir de imágenes por resonancia magnética. 

Este estudio es el primero en demostrar la asociación entre la edad biológica cerebral y la presencia de biomarcadores y factores de riesgo de Alzheimer (como la presencia de las proteínas beta amiloide y tau o del genotipo APOE-ε4) en un total de 2.314 personas cognitivamente sanas o con deterioro cognitivo leve. El estudio también muestra la relación entre el envejecimiento cerebral y marcadores de neurodegeneración y patología cerebrovascular. Los hallazgos, publicados en la revista científica Elife, posicionan este nuevo indicador como una herramienta potencialmente útil en el diagnóstico de diversas enfermedades cerebrales. 

Inteligencia artificial: una metodología pionera para estudiar el Alzheimer

La diferencia entre la edad cronológica (el tiempo transcurrido desde el nacimiento) y la edad cerebral biológica (calculada a partir de técnicas de neuroimagen) proporciona una estimación sobre si el cerebro ha envejecido más rápidamente de lo esperado. Es lo que se conoce como el delta de la edad cerebral (traducción de brain-age delta, en inglés), y constituye un indicador del envejecimiento cerebral biológico. Aquellas personas que tienen una edad cerebral estimada más alta que su edad cronológica podrían tener un cerebro “más viejo” de lo esperado, mientras que un individuo con una edad cerebral que se estima inferior a su edad cronológica tendría un cerebro “más joven”. 

“Aunque la edad es el principal factor de riesgo para la enfermedad de Alzheimer y la mayoría de las enfermedades neurodegenerativas, los mecanismos biológicos que explican esta asociación aún son poco conocidos”, explica Irene Cumplido, investigadora predoctoral en el Grupo de Investigación en Neuroimagen del BBRC y primera autora del trabajo. “Para el estudio de la edad, es necesario disponer de marcadores objetivos de envejecimiento biológico cerebral, más allá de la edad cronológica, del mismo modo que se dispone de biomarcadores para el Alzheimer”, puntualiza.

En este trabajo, el equipo investigador ha entrenado un modelo predictivo para calcular la edad cerebral de mujeres y hombres sanos, utilizando más de 22.000 medidas obtenidas de imágenes por resonancia magnética. Estas imágenes se han obtenido del UK Biobank, una base de datos biomédica a gran escala que contiene información genética y de salud de medio millón de participantes del Reino Unido.

Es la primera vez que el BBRC aplica técnicas de aprendizaje automático al estudio del envejecimiento cerebral, una metodología que ha ganado una reciente popularidad gracias a su capacidad para identificar patrones relevantes a partir de datos complejos. “Estos modelos aprenden la asociación entre la edad cronológica y las características morfológicas cerebrales extraídas de las imágenes por resonancia magnética, lo que predice una edad cerebral para cada individuo”, explica la Dra. Verónica Vilaplana, profesora agregada del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones de la Universidad Politécnica de Cataluña y también autora del estudio.

“Una cantidad creciente de investigación en los últimos dos años se centra en el uso de técnicas de neuroimagen para desarrollar un marcador del envejecimiento cerebral biológico”, afirma el Dr. Juan Domingo Gispert, responsable del Grupo de Investigación en Neuroimagen del BBRC. “A diferencia de estudios previos, el nuevo biomarcador que hemos desarrollado está validado contra varios marcadores biológicos y factores de riesgo asociados al envejecimiento, de modo que nuestro estudio demuestra la validez del nuestro método como un biomarcador de envejecimiento biológico cerebral con relevancia para diversas enfermedades neurodegenerativas”.

La mayor cohorte hasta la fecha para predecir la edad cerebral

En el estudio se han utilizado un total de 22.661 medidas a partir de imágenes del conjunto de datos del UK Biobank para predecir la edad cerebral de más de 2.300 personas sanas o con deterioro cognitivo leve de cuatro cohortes independientes: ALFA +, que cuenta con el impulso de la Fundación “la Caixa” (380 personas), ADNI (719 personas), EPAD (808) y OASIS (407). 

“Sabemos que en trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer se ha encontrado un envejecimiento acelerado del cerebro, pero era necesario comparar estos datos con marcadores biológicos específicos de la enfermedad”, sostiene Cumplido. Para ello, los investigadores han estudiado las asociaciones del envejecimiento cerebral acelerado con diversos biomarcadores y factores de riesgo del Alzheimer en individuos sanos, como la presencia de las proteínas beta amiloide y tau, el genotipo APOE-ε4, principal factor de riesgo genético de la enfermedad de Alzheimer, y otros marcadores de la neurodegeneración y la enfermedad cerebrovascular. Se introdujo, además, un análisis estratificado por sexos, con el fin de estudiar las diferencias entre hombres y mujeres con respecto a la edad cerebral.
La estimación del envejecimiento cerebral acelerado se asoció con depósitos anormales de beta amiloide, etapas más avanzadas de patología de Alzheimer y la presencia del genotipo APOE-e4; resultados particularmente útiles para potenciales intervenciones de prevención.

Referencia bibliográfica

Cumplido-Mayoral, Irene; García-Prat, Marina; Operto, Grégory et al. ‘Biological brain age prediction using machine learning on structural neuroimaging data: multi-cohort validation against biomarkers of Alzheimer's disease and neurodegeneration stratified by sex’, Elife, 2023, 12: e81067. https://doi.org/10.7554/eLife.81067