Используя систему 3D-камер и искусственный интеллект, исследовательница Цзин-Донг Джеки Хан из Пекинского университета разработала систему, которая может определять физиологический возраст человека.
Одна картинка стоит тысячи слов. Но когда это изображение представляет собой высокоточное трехмерное изображение лица, оно может стоить и тысячи анализов крови. Это потому, что эти полные щеки и мешки под глазами являются не только предвестниками возраста, но и отражением нашего здоровья.
Ученым десятилетиями известно, что хронологический возраст не говорит всей истории. Наш так называемый биологический возраст, на который влияет все, начиная от окружающей среды и заканчивая диетой и привычками к физическим упражнениям, отражает здоровье наших клеток и органов и может отличаться от хронологического возраста на годы. Но в отличие от отслеживания времени, в течение которого мы живем, определить биологический возраст сложнее. Теперь профессор Цзин-Донг (Джеки) Хан и ее коллеги разработали управляемый искусственным интеллектом процесс, получивший название «часы старения лица», который делает трехмерное изображение лица человека и вычисляет его биологический возраст.
Вдохновленные многовековой китайской практикой, согласно которой врачи предсказывают здоровье человека, «читая» его лицо, профессор Хан, вычислительный биолог из Пекинского университета, и ее команда построили свои часы, проанализировав трехмерные изображения лиц примерно 5 тысяч жителей китайского уезда Цзидун. Исследователи создали пару ИИ-часов. Одни предсказывает хронологический возраст, другие – биологический. Эти часы старения лица отслеживают изменения нашего лица со временем: уголки глаз опускаются, нос расширяется, челюсти отвисают, а расстояние между носом и ртом увеличивается. Известно, что определенные черты лица связаны с определенными заболеваниями. Системное воспаление, например, проявляется дряблостью кожи.
По словам Андре Эстевы, основателя и гендиректора медицинского стартапа искусственного интеллекта в Лос-Альтосе, Калифорния, работа профессора Хан может перевернуть превентивную медицину: «Если бы вы могли сделать снимок и увидеть свой биологический возраст, это действительно могло бы повлиять на ваш образ жизни». С помощью этого инструмента врачи могут также отслеживать и управлять уходом за пациентами, проходящими обременительные процедуры, преждевременно старящие людей, такие как химиотерапия. И это также может помочь в исследованиях старения.
«Мы получаем так много запросов от компаний, которые хотят, чтобы наш инструмент оценивал эффективность их пищевых добавок или антивозрастных препаратов», говорит профессор Хан.
Модели ИИ требуют примеров, где правильный ответ или «эталонные данные» уже известны, чтобы научиться видеть его в новых данных – например, лицо в паре с возрастом субъекта. Итак, возник потенциальный камень преткновения: не существует золотого стандарта биологического возраста. «Концепция биологического возраста – это скорее общий термин для всех мультисистемных явлений, происходящих с возрастом», объясняет Кристофер Белл, изучающий взаимосвязь между возрастом и хроническими заболеваниями в Лондонском университете. От укорочения наших теломер – колпачков, которые удерживают наши хромосомы от деградации – до сокращения наших митохондрий и ослабления нашей иммунной системы – выбрать только один маркер старения – сложная задача.
Первые часы для измерения старения были основаны на изменениях метильных групп – химических меток, добавленных к ДНК, которые включают и выключают гены. Этот механизм метилирования ДНК, который регулирует активность генов, со временем изнашивается. Характер этого ухудшения – какие области нашего генома затронуты – может сказать нам, насколько быстро стареют наши клетки и ткани. Другие часы, оценивающие возраст, основаны на распределении белка в крови или количестве делений стволовых клеток.
В 2016 году профессор Хан решила использовать другую меру – воспринимаемый возраст или то, каким старым вы кажетесь другим. Она была вдохновлена исследованием 2009 года, в ходе которого добровольцы оценивали возраст и здоровье близнецов по фотографии, а семь лет спустя провели медицинское обследование испытуемых. Эти исследователи обнаружили, что старший из пары близнецов был более слабым, с когнитивными нарушениями и в большом числе случаев умер раньше более молодого брата или сестры. Ясно, что биологический возраст, определяемый внешним видом, сильно коррелирует со здоровьем, предположила профессор Хан. Ее группа уже включила 3D-изображения лиц в исследование, опубликованное в 2015 году, в котором они обнаружили, что черты лица могут предсказать хронологический возраст в статистической модели, разработанной с использованием изображений 300 жителей Пекина.
В то время профессор Хан исследовала маркеры, или сигнатуры, в крови и выясняла их связь с возрастом, когда заметила, что Китайская академия наук и Институт вычислительной биологии, партнер Общества Макса Планка, где она тогда работала, имели трехмерный сканер лиц. Она подумала, что, поскольку у них есть этот тепловизор, они должны брать его с собой, когда берут образцы крови, и использовать его для сравнения того, что лицо говорит о старении, с тем, что показывают маркеры крови.
К 2016 году у нее был доступ к данным примерно 5000 человек из города Цзидун и к более мощным методам искусственного интеллекта. Благодаря мастерству ИИ в обработке данных профессор Хан смогла воспроизвести человеческое восприятие того, как биологический возраст проявляется на чьем-то лице. Чтобы свести к минимуму колебания от любого наблюдения, в новом исследовании профессора Хан биологический возраст каждого субъекта оценивался независимо пятью добровольцами и служил «эталонными данными» для обучения ИИ.
Алгоритм ИИ, который извлек уроки из этих человеческих наблюдений и улучшил их, был поразительно точным. В среднем его прогнозы отклонялись от фактического возраста примерно на три года как для хронологического, так и для предполагаемого возраста. В исследовании профессор Хан назвала людей, которые выглядели более чем на три года старше, чем дата в их свидетельстве о рождении, быстро стареющими. Медленно стареющие казались более чем на три года моложе.
По словам профессора Хан, эта разница между предполагаемым и фактическим возрастом может быть связана с различными параметрами здоровья. И эти отклонения больше всего учат нас тому, как мы стареем.
Чтобы изучить связи между внешним видом, возрастом и основными факторами, влияющими на здоровье, профессор Хан взяла образцы крови и изучила привычки испытуемых. Например, курение, храп и высокий уровень холестерина в крови часто характерны для людей, стареющих быстро, в то время как употребление йогурта, регулярное время приема пищи и более высокая минеральная плотность костей являются общими чертами людей, стареющих медленно.
Средний возраст, когда людям от 40 до 50 лет, кажется, является периодом, когда различия между быстро и медленно стареющими становятся более заметными. Некоторые люди могут выглядеть довольно старыми, хотя им всего 40 лет, а другим 55 лет, но они все еще выглядят очень молодыми. По словам профессора Хан, эта изменчивость означает, что меры по внедрению более здоровых привычек могут иметь существенное значение в этом окне возможностей.
Профессор Хан и ее сотрудники построили дополнительные модели, чтобы изучить основные молекулярные механизмы, лежащие в основе старения, и сопоставить их с чертами лица быстро стареющих с помощью часов, созданных ИИ. Например, они разработали часы, которые идентифицировали активные гены в крови человека старшего возраста и сопоставляли их с чертами лица того же человека.
Для тех предсказаний, которые совпадают, исследователи могут установить, какие гены (и, следовательно, молекулярные пути) включены для лиц старшего возраста по сравнению с лицами более молодого возраста. Во все времена «ускоренное старение тесно связано с инфекциями и воспалениями», что проявляется на лице в виде сужения лба по мере провисания кожи, говорит Хан. С другой стороны, высокий уровень ЛПНП и общего холестерина в крови приводит к полным щекам и мешкам под глазами.
Исследования старения стали мейнстримом, но одной из проблем в этой области всегда было то, что мы не знаем точно, что такое биологический возраст, и нет объективного способа его количественного определения. Но, по словам Жуйбао Рена, врача-ученого из Международного центра старения и рака при Хайнаньском медицинском университете в Китае, исследования Хана, а также текущая работа в других лабораториях позволили сократить этот информационный пробел.
«Умение измерять старение – это большой шаг вперед, и технология профессора Хан, уже используемая в больнице, в которой она работает на Хайнане, сыграет важную роль в исследованиях старения», говорит Рен. Фармацевтические компании могут использовать этот инструмент, например, для оценки лекарств, которые способствуют долголетию или замедляют старение. Как онколог, Рен надеется, что с помощью лицевых часов он сможет диагностировать больных раком, пока болезнь находится на ранних стадиях. Поскольку рак сильно коррелирует с возрастом, если у кого-то проявляются признаки ускоренного старения, врачи могут проводить скрининг более активно. «Старение лежит в основе, вероятно, 80 процентов болезней», говорит Рен.
Врачи могут включать биологический возраст в список тестов для ежегодных медицинских осмотров, таких как тесты на холестерин или измерения артериального давления. «Это может быть тревожный звонок, который спрашивает: как у вас дела с управлением своим здоровьем?» говорит Рен.
И в отличие от других часов, для реализации которых требуются образцы крови или тканей и дорогостоящий анализ, лицевые часы сравнительно экономичны и неинвазивны, требуя, чтобы пациент сидел всего одну минуту перед камерой 3D-изображения.
Белл также видит большой потенциал в дальнейшем изучении стареющих часов, особенно по мере того, как наборы данных становятся больше. Самые ранние эпигенетические часы, например, рассматривали 1500 потенциальных сайтов метилирования как старение. Понимая оба сценария, «мы могли бы определить новые терапевтические возможности для лечения этих заболеваний», говорит Белл.
Но он советует с осторожностью интерпретировать результаты различных часов старения. «На уровне населения эти часы фиксируют некоторые аспекты старения». Однако на индивидуальном уровне предстоит еще много работы. «Если мы измеряем чей-то конкретный возраст эпигенетических часов, мы не можем быть так же уверены в том, насколько хорошо он отслеживается у этого человека или что изменения с течением времени отражают реальность».
Что касается профессора Хан, ее команда продолжает исследовать другие часы, такие как часы транскриптома, которые отражают повреждение ДНК в крови, и часы одной клетки, основанные на информации, полученной от одной клетки. Цель состоит в том, чтобы объединить разрозненные показатели – каждые часы демонстрируют разные аспекты старения – в составные часы. Они также продолжают совершенствовать свои часы старения лица – скоро будет опубликована версия, применимая ко всем этническим группам.
Какова конечная цель профессора Хан? «Я говорю своим коллегам, что постараюсь, чтобы они жили как минимум на пять лет дольше – и выглядели как минимум на пять лет моложе», – смеется она.
