신경 및 신경 정신 질환에 대한 응용 (알츠하이머병)

신경 및 신경 정신 질환에 대한 응용

 

신경계 및 신경정신과 질환은 중추신경계의 손상 및 퇴화로 인해 발생하는 장애이다. 이러한 장애의 예로는 알츠하이머병 (AD), 파킨슨병(PD), 헌팅턴병, 정신분열증, 투렛 증후군, 자폐 스펙트럼 장애 (ASD) 및 주의력 결핍 과잉 행동 장애 (ADHD)가 있다. 원인은 유전적, 환경적 요인, 신경계 또는 뇌의 다른 부분 손상과 관련이 있다. 이 손상은 기억 상실, 기분 변화, 신체 조절 상실 및 행동 변화와 같은 증상을 일으키는 뉴런의 통신에 영향을 미친다. 이러한 증상은 질병의 초기 단계에서 다양한 치료의 도움으로 중화될 수 있지만 초기 단계의 질병 진단은 현재의 영상 기술과 다양한 인간 입력을 사용하여 부정확하고 어렵다. 따라서, 질병은 오진될 수 있고 감지되지 않은 상태로 진행된다. 인공 지능의 한 형태인 신경망, 이러한 경우에 적용하여 이러한 질병을 조기에 보다 정확하게 진단하여 영향을 받은 환자를 보다 우수하고 효과적으로 치료하고 다른 장애가 있을 수 있는 환자 또는 건강한 환자와 구별할 수 있다. 이러한 신경망은 입력 데이터에서 학습하여 경험을 기반으로 매번 개선된 출력을 생성할 수 있으며 사람의 입력 없이도 진화할 수 있으므로 사람의 오류와 다양한 지식을 제거하여 정확도를 향상시킨다.

 

ANN은 실제 데이터의 훈련 세트를 사용하여 사람이 개입한 모델보다 더 정확하게 모델을 추론함으로써 사람의 개입 없이 시스템이 데이터에서 학습하고 경험을 통해 개선할 수 있도록 하는 기계 학습 알고리즘의 유형이다. 이것은 데이터 볼륨과 다양성이 큰 AD에서와 같이 이기종 데이터 세트의 바이오마커를 추출하는 데 더 나은 성능을 발휘하는 것으로 입증되었다. 따라서, 정확한 탐지 및 분류 접근 방식을 위해 자동화된 탐지 방법을 사용하는 것이 매우 중요하다.

 

알츠하이머병

 

알츠하이머병은 가장 흔한 유형의 신경퇴행성 질환으로 치매의 약 60~80%를 차지하며, 뇌의 신경세포가 사망하여 비가역적이고 점진적인 정신 악화를 초래하여 결국 사망에 이르게 한다. 정신 장애 IV의 진단 및 통계 매뉴얼 (DSM-IV)에 따르면, 알츠하이머병은 새로운 발병 기억 장애, 다른 인지 장애, 실어증, 실어증, 실행증 또는 집행 기능, 상당한 양의 기능적 손상을 초래하는 점진적이고 점진적인 과정이 포함된다. 통계에 따르면 전 세계적으로 알츠하이머병을 앓고 있는 인구가 약 4,700만 명에 달하며 2050년에는 그 수가 약 1억 명으로 두 배 증가할 것으로 예상된다. 뇌세포 손상은 되돌릴 수 없고 멈출 수 없기 때문에 현재 임상적으로 입증된 치료법이 없다. 그러나 약물 요법과 같은 다양한 치료적 접근을 통해 질병의 원인이 아닌 증상을 표적화할 수 있다. 1998년에서 2011년 사이에 약 100개의 치료제가 테스트되었지만 실패한 것으로 보고 된다. 이것은 현재 임상 요법의 효과를 증가시켜 뇌에 심각한 손상이 일어나기 전에 알츠하이머병의 증상을 정지시키는 데 핵심이 되는 조기에 효과적인 검출 방법을 개발할 필요성을 강조한다.

 

알츠하이머병은 특정 신경 전달 물질 시스템의 결핍과 함께 ​​아밀로이드 플라크 (아밀로이드 베타(Aβ) 단백질의 응집에 의해 유발됨) 및 신경섬유 엉킴 (NFT ; 과인산화된 타우 단백질의 응집에 의해 유발됨)의 존재로 특징지어진다. "아밀로이드 캐스케이드 가설"이라고도 하는 점진적인 신경퇴행 과정은 단백질을 처리하지 못하거나 과잉 생산되어 Aβ가 축적될 때 시작되며, 이는 뇌에 플라크 침착 및 NFT 생성 및 결국 뉴런 AD의 증상을 일으킨다 (괴사). 따라서, Aβ 단백질은 알츠하이머병 진단을 위한 바이오마커로 사용될 수 있으며, 이는 첫 번째 증상이 나타나기 시작하기 전 초기 단계에서 질병의 조기 진단에 도움이 될 수 있다.

 

구조적 자기공명영상 (sMRI)은 알츠하이머병 임상 평가에서 가장 자주 사용되는 영상 기술 중 하나이다. sMRI는 경도인지 장애 (MCI) 단계에서 AD 진행 및 강도를 연구하는 데 필수적인 안정적인 바이오마커이다. sMRI는 신경퇴행과 인지저하의 관계를 보여 알츠하이머병 바이오마커로서의 효율성을 이끌어낸다. 신경 손상이 있으면 뇌 위축도 유발한다. sMRI 사용의 단점은 일부 위축 패턴이 다른 신경퇴행성 질환과 동일하기 때문에 세포 수준에서 알츠하이머병 행동을 나타낼 수 없고 부정확한 결과를 제공할 수도 있다는 것이다.

 

기능적 자기 공명 영상 (fMRI)은 최근 기능적 신경 영상으로 사용되어 질병의 초기 단계에서 뇌 기능의 변화를 감지하고 위축의 진행을 추적할 수 있다. 내측 측두엽 (MTL) 기억 구조는 알츠하이머병의 신경병리학적 변화의 원인이다. 노인 환자의 건강한 대조군에 비해 MTL의 연결성이 낮지만 최근에 MTL 활성이 증가하는 단계가 있을 수 있다는 것이 관찰되었다. 이는 뇌의 건강한 기억 성능을 유지하기 위한 목적으로 보상 신경 메커니즘을 나타낸다. MCI가 AD로 변환되면 이 보상은 손실된다.

 

양전자 방출 단층 촬영 (PET) 이미징은 고유한 정보를 제공하고 시간이 지남에 따라 뇌 변화를 추적하는 데 뛰어난 감도를 보여주는 기능적 이미징 기술이다.

 

인지 장애 (CU) 및 AD 환자의 샘플 PET 이미지