Искусственный интеллект раскрыл скрытое поражение лицевых нервов при ожирении

Исследователи из Helmholtz Munich, Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) и ряда других институтов создали систему искусственного интеллекта, способную картировать связанные с заболеваниями изменения во всем теле мыши на клеточном уровне. Новая платформа, получившая название MouseMapper, позволила обнаружить широко распространенное воспаление и ранее неизвестное повреждение нервов, связанное с ожирением.

В ходе исследования также были выявлены схожие молекулярные паттерны в тканях человека, что указывает на возможное сходство механизмов повреждения нервов при ожирении у мышей и людей. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Известно, что ожирение влияет не только на вес и метаболизм. Оно может изменять иммунную активность, нарушать структуру нервов и перестраивать ткани по всему организму, увеличивая риск развития диабета 2 типа, сердечно-сосудистых заболеваний, инсульта, нейропатии и рака. Несмотря на столь обширное воздействие, у ученых не было инструментов для детального изучения связанных с болезнью изменений в целом неповрежденном организме.

Для решения этой проблемы команда под руководством профессора Али Эртюрка разработала MouseMapper. Эта ИИ-система использует алгоритмы глубокого обучения на основе фундаментальных моделей для анализа огромных массивов данных трехмерной визуализации всего тела.

Система способна автоматически идентифицировать и сегментировать 31 орган и тип тканей, а также картировать нервы и иммунные клетки по всему организму. Это позволяет исследователям одновременно изучать, как болезни влияют на различные системы органов у интактных мышей.

«MouseMapper построен на фундаментальной модели, что означает, что он способен обобщать данные, выходя далеко за пределы того, на чем он изначально обучался», — говорит Ин Чэнь, соавтор исследования.

Прозрачные мыши и визуализация всего тела

Для создания карт тела исследователи сначала пометили нервы и иммунные клетки мышей флуоресцентными маркерами. Затем они использовали методы просветления тканей, чтобы сделать мышей прозрачными, сохранив при этом флуоресцентные сигналы. Далее команда применила передовую световую микроскопию для получения детальных трехмерных изображений целых мышей, что позволило зафиксировать десятки миллионов клеточных структур.

MouseMapper автоматически проанализировал полученные изображения, идентифицируя анатомические области, нервные сети и скопления иммунных клеток. Такой подход позволил точно определить места воспаления и повреждения тканей в таких органах, как жировая ткань, мышцы, печень и периферические нервы, без необходимости заранее выбирать конкретные области для изучения.

Ожирение и повреждение лицевого нерва

Чтобы изучить, как ожирение меняет организм, мышей кормили пищей с высоким содержанием жиров, что приводило к ожирению и метаболическим проблемам, сходным с человеческими.

С помощью MouseMapper команда обнаружила масштабные изменения в организации иммунных клеток и структуре нервов по всему телу. Одним из самых неожиданных открытий стало поражение тройничного нерва — основного лицевого нерва, отвечающего за чувствительность и некоторые двигательные функции лица.

У мышей с ожирением эти сенсорные нервы показали значительное сокращение ветвей и нервных окончаний, что указывает на нарушение их функции. Поведенческие тесты подтвердили этот вывод: мыши с ожирением были менее чувствительны к сенсорной стимуляции по сравнению с худыми.

Исследователи также сосредоточились на тройничном ганглии, содержащем тела клеток лицевых сенсорных нейронов. С помощью пространственного протеомного анализа они выявили молекулярные изменения, связанные с воспалением и ремоделированием нервов. Важно, что многие из этих же молекулярных маркеров были обнаружены и в ткани тройничного нерва людей с ожирением. Это позволяет предположить, что наблюдаемые у мышей изменения нервов могут происходить и у человека.

«Мы обнаружили ранее неизвестные структурные и молекулярные изменения в тройничном ганглии и его лицевых ветвях, и тот же молекулярный паттерн сохранился в тканях человека. Такой результат просто невозможно получить, изучая по одному органу за раз», — говорит доктор Дорис Кальтенеккер, старший научный сотрудник Института диабета и рака (IDC) в Helmholtz Munich и первый автор исследования.

Новый инструмент для изучения сложных заболеваний

Исследователи полагают, что MouseMapper может стать важным инструментом для изучения болезней, поражающих многие системы органов одновременно, включая диабет, рак, нейродегенеративные и аутоиммунные заболевания. В отличие от предыдущих подходов, MouseMapper обеспечивает целостный анализ всего организма, способный выявлять «горячие точки» заболевания.

Команда также сделала наборы данных всего тела общедоступными в интернете, чтобы ученые по всему миру могли изучать изменения, связанные с ожирением.

«Наша цель — создать всеобъемлющую основу для понимания того, как болезни влияют на организм как на взаимосвязанную систему, — говорит Али Эртюрк. — Наше долгосрочное видение — построить по-настоящему реалистичные цифровые двойники мышей в здоровом и больном состоянии: клеточные атласы, которые мы сможем запрашивать, изменять и тестировать in silico (с помощью компьютерного моделирования). Это позволит нам выявлять самые ранние изменения, вызываемые болезнью, разрабатывать меры по их предотвращению и ускорять открытие новых методов лечения, сокращая количество необходимых физических экспериментов».