Строение мозга младенцев предсказывает интеллект

Структура мозга у младенцев в возрасте одного года может предсказать их умственные способности на годы вперёд — к такому выводу пришли исследователи из университета Северной Каролины (США). Используя современные методы искусственного интеллекта, они обнаружили, что уже в самом начале жизни у человека формируется архитектура мозга, закладывающая базу для развития интеллекта. Работа опубликована в журнале Frontiers in Human Neuroscience.

Детство традиционно считается ключевым этапом развития мыслительных способностей и поведения. Поиск биологических маркеров помогает предсказывать, как будет складываться интеллектуальное развитие человека, а также вовремя вмешиваться, если есть риски задержки когнитивных функций.

Наш мозг связан сетью нервных волокон — так называемым белым веществом, которое, подобно кабелям, проводит электрические сигналы между отделами мозга. Вся схема этих связей носит название структурного коннектома.

Данных о коннектоме ровно настолько много, что обычные статистические методы бессильны. Поэтому учёные берут математические упрощения: делают так называемые "градиенты" — это карты изменений связей в пространстве мозга.

Если раньше многие исследовали функции мозга — то есть "он-лайн" работу разных зон (например, как мозг решает задачи на внимание или со слухом), то собственно "физические" градиенты связей изучались редко. Именно от этих физических путей и зависит, как далеко и куда может пойти сигнал — другими словами, это "инфраструктура" мыслительного процесса.

Учёные интересовались, формируются ли эти физические схемы у малышей уже к годовалому возрасту и смогут ли они предсказать, каким будет интеллект в будущем. Особое внимание уделили участкам мозга, отвечающим за продвинутые мыслительные операции: решением задач, памятью, вниманием (лобные и теменные доли).

Исследование проводилось на материале долгосрочного проекта: обследовали примерно сотню детей в возрасте одного года с помощью специального МРТ — диффузионной томографии. Этот метод строит маршруты, по которым вода движется в мозге — а значит, и нервные сигналы.

Определили два главных градиента: первый — от левого к правому полушарию (эти два "континента" мозга связаны слабо), второй — от затылка к лбу (от простых сенсорных центров к исполнительным отделам). Такие карты — как рельефные схемы индивидуальных особенностей мозга.

Дальше — интереснее. Эти же дети проходили стандартные тесты IQ в 4, 6 и 8 лет. Исследователи использовали нейросеть — модель машинного обучения, чтобы связать их мозговые схемы в годовалом возрасте с этими оценками интеллекта.

Обычный анализ связывает отдельно взятые точки, а нейросеть «смотрит» на всю карту связей — и находит общие закономерности. Оказалось, что по мозговым "кабелям" годовалых малышей можно с высокой точностью угадать результаты их последующих тестов на интеллект.

В основе такой устойчивости — зрелость путей белого вещества. Проверка МРТ в последующие годы показала: картинка мозговых связей у детей остается принципиально схожей.

Модель особо «обращала внимание» на фронтопариетальную сеть и исполнительные зоны — те, что ответственны за гибкость мышления и способность интегрировать разную сенсорную информацию.

Правда, есть нюансы. Во-первых, даже лёгкое движение головы ребёнка может существенно исказить снимки. Во-вторых, разные методики обработки МРТ — разные результаты определения границ зон мозга. Наконец, свои коррективы вносит и окружение: как выяснилось, у детей вероятность высоких когнитивных результатов лучше предсказывает не только анатомия мозга, но и, например, уровень образования матери.

В будущем учёные надеются выяснить, как именно взаимодействуют биология и внешняя среда — где граница их влияния на умственные способности. Также отдельные типы задач на интеллект будут изучать по своим схемам связей (например, для речи и для памяти).

Исследование провели Юнми Хонг, Эмил Корнеа, Джессика Жиро и коллеги. Статья: “Structural connectome gradients and their relationship to IQ in childhood”.