發(fā)布時(shí)間：2020-06-16
6月17日，《American Journal of Psychiatry》期刊在線發(fā)表了題為《Diagnostic Classification for Human Autism and Obsessive-Compulsive Disorder based on Machine Learning from a Primate Genetic Model》的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王征研究組與中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所赫然課題組合作完成。該研究整合靈長類動(dòng)物模型和臨床精神疾病患者的功能磁共振影像數(shù)據(jù)，國際上首次設(shè)計(jì)猴-人跨物種的機(jī)器學(xué)習(xí)分析流程，利用從轉(zhuǎn)基因獼猴模型上學(xué)習(xí)的特征構(gòu)建臨床精神疾病患者的分類器模型，進(jìn)而深入解析人類自閉癥和強(qiáng)迫癥的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。此研究為精神疾病的影像學(xué)精準(zhǔn)診斷提供了新證據(jù)，開辟了利用非人靈長類模型服務(wù)精神疾病的臨床應(yīng)用需求的新途徑。
自閉癥（ASD）是一種神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)的發(fā)育性疾病，具有高度的異質(zhì)性，同時(shí)自閉癥患者常伴隨強(qiáng)迫癥（OCD）、注意力缺陷多動(dòng)癥（ADHD）等并發(fā)癥，這給臨床診斷和病理機(jī)制研究帶來巨大的挑戰(zhàn)。非人靈長類模式動(dòng)物與人類在腦結(jié)構(gòu)與功能上較為接近，研究人員前期發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因靈長類動(dòng)物模型能夠表現(xiàn)出與人類臨床患者類似的癥狀表型，如MECP2過表達(dá)的獼猴表現(xiàn)出重復(fù)刻板行為、社交行為障礙等類自閉癥癥狀（Nature, 2016），且在大腦環(huán)路上的異常也與部分自閉癥患者相似（J Neurosci，2020）。
研究團(tuán)隊(duì)在這些前期工作基礎(chǔ)上（IEEE TMI, 2015），勇于原始創(chuàng)新，探索靈長類物種間可能的進(jìn)化保守的特征，大膽假設(shè)以保守的腦區(qū)功能為基礎(chǔ)，構(gòu)建可跨物種遷移的精神疾病分類預(yù)測模型（圖A）。研究人員首先運(yùn)用Group LASSO算法對(duì)源自5只轉(zhuǎn)基因獼猴和11只野生型獼猴的腦功能圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行腦區(qū)篩選，識(shí)別出9個(gè)核心腦區(qū)（圖B）；接著將此9個(gè)腦區(qū)一一映射到人類大腦上，并用腦區(qū)間的功能連接形成特征集合，構(gòu)建稀疏邏輯回歸分類器分別用于自閉癥、強(qiáng)迫癥和注意力缺陷多動(dòng)癥患者的診斷分類?；颊邤?shù)據(jù)分別來自4個(gè)臨床影像數(shù)據(jù)庫：ABIDE-I (1112人)，ABIDE-II（1114人），OCD（186人）和ADHD-200（776人）。經(jīng)過交叉驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)基于轉(zhuǎn)基因獼猴特征構(gòu)建的分類模型對(duì)ABIDE-I數(shù)據(jù)集中自閉癥患者和正常人的區(qū)分準(zhǔn)確率達(dá)到82.14%，對(duì)ABIDE-II數(shù)據(jù)庫中人類被試同樣達(dá)到75.17%的準(zhǔn)確率，顯著高于基于自閉癥和強(qiáng)迫癥病人自身特征構(gòu)建分類器的性能（圖C）。當(dāng)將同樣的9個(gè)腦區(qū)拓展到強(qiáng)迫癥影像數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)獼猴特征構(gòu)建分類模型仍然能達(dá)到78.36%的準(zhǔn)確率，顯著高于基于自閉癥患者特征構(gòu)建的分類器性能。但這些基于獼猴模型學(xué)習(xí)的特征未能顯著性地提升ADHD患者的分類準(zhǔn)確率。研究人員進(jìn)一步分析這些性能優(yōu)越的分類器中的功能連接與精神疾病臨床癥狀之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)右側(cè)腹外側(cè)前額葉皮層在自閉癥和強(qiáng)迫癥中同時(shí)扮演著雙重角色，分別對(duì)應(yīng)于各自特異的維度癥狀表型（圖D）。
此項(xiàng)工作由王征研究員和赫然研究員共同指導(dǎo)博士研究生詹亞峰和衛(wèi)建澤合作完成，期間得到了英國劍橋大學(xué)Trevor Robbins教授，復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院徐秀主任的鼎力合作支持，同時(shí)也得到了中科院自動(dòng)化所譚鐵牛院士的指導(dǎo)幫助，及中科院昆明動(dòng)物所的大力支持。本工作受到科技部，國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院，上海市和廣東省的資助。
圖注：（A）腦功能連接圖譜的特征構(gòu)建猴-人跨物種機(jī)器學(xué)習(xí)分類器；（B）在獼猴模型中學(xué)習(xí)得到的9個(gè)腦區(qū)；（C）基于9個(gè)腦區(qū)構(gòu)建的跨物種機(jī)器學(xué)習(xí)分類器與基于人ASD數(shù)據(jù)構(gòu)建的分類器對(duì)ASD、OCD和ADHD的分類性能ROC曲線；（D）ASD和OCD共享的神經(jīng)環(huán)路內(nèi)表型以及與疾病特異的臨床癥狀相關(guān)的異常。
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