從眼睛里,竟能讀出早死的預(yù)兆?
發(fā)布時(shí)間:2022-02-10
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人的實(shí)際年齡,不一定能忠實(shí)地反映身體的衰老程度。但眼睛說不定可以……

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撰文 | 栗子

審校 | Clefable


一個(gè)人的實(shí)際年齡(chronological age),是從出生之日開始計(jì)算。


不過,出生的時(shí)間一樣久,并不代表身體一樣老。有些人40歲,身體機(jī)能可以和20多歲的普通人媲美,也有些人40歲,各個(gè)臟器運(yùn)轉(zhuǎn)起來就像普通人60歲左右的狀態(tài)。


假如拋開實(shí)際年齡,人體的衰老程度還可以通過其他的途徑來觀察。比如,基因組里DNA甲基化的水平總體下降,就是機(jī)體老化的一種表現(xiàn)。于是,人們常常把DNA甲基化程度當(dāng)成一座“衰老時(shí)鐘”。


而現(xiàn)在,眼睛也可以成為觀察衰老進(jìn)程的窗口,甚至能用來評(píng)估死亡風(fēng)險(xiǎn)最近有科學(xué)家發(fā)現(xiàn),視網(wǎng)膜年齡比實(shí)際年齡更老的人,在近幾年內(nèi)過世的概率比其他人要大。研究團(tuán)隊(duì)把這項(xiàng)成果發(fā)表在《英國眼科雜志》(British Journal of Ophthalmology)。


不過,科學(xué)家要怎樣判斷一個(gè)人的視網(wǎng)膜有多老呢?



AI能看出視網(wǎng)膜的年紀(jì)


當(dāng)一個(gè)人慢慢變老,體內(nèi)各種器官的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)有變化,從生機(jī)勃勃到年久失修,眼睛也不例外。如果分析眼底圖像或許就能發(fā)現(xiàn),不同年齡的人,視網(wǎng)膜的面貌也有不同。


抱著這樣的想法,來自廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院、墨爾本大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們,開發(fā)了一種深度學(xué)習(xí)AI,想讓它根據(jù)眼底圖像中視網(wǎng)膜的樣子,來預(yù)測(cè)主人的年紀(jì)。


為此,研究團(tuán)隊(duì)從英國生物樣本庫(UK Biobank)里找來了19 200張眼底圖。這些圖片來自11 052人,他們的年齡從40歲到69歲不等,但有個(gè)共同點(diǎn):在圖像拍攝前都沒有既往病史。科學(xué)家希望,AI能在健康狀況良好的人群中,學(xué)習(xí)到視網(wǎng)膜隨著年齡增長是怎樣變化的。


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AI根據(jù)眼底圖和圖片主人的實(shí)際年齡,來學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)(圖片來源:原論文)


在這一萬多張眼底圖當(dāng)中,大部分圖片要作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)投喂給AI,且標(biāo)注了實(shí)際年齡,供AI摸索其中的規(guī)律。等訓(xùn)練完成后,剩下的圖片會(huì)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)(相當(dāng)于考題)輸入給AI,不標(biāo)注實(shí)際年齡,讓AI根據(jù)圖片來預(yù)測(cè)年齡。


團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),AI預(yù)測(cè)的結(jié)果和圖片主人的實(shí)際年齡十分接近,誤差不超過3.55年。這不僅代表AI訓(xùn)練有效,還意味著圖像里包含的視網(wǎng)膜信息,能在很大程度上反映出人類的實(shí)際年齡。也就是說,健康人的視網(wǎng)膜年齡,跟實(shí)際年齡比較吻合。


當(dāng)然,學(xué)習(xí)這些健康人的數(shù)據(jù),只是為了做成“標(biāo)尺”,來衡量其他人的情況。而科學(xué)家更關(guān)心那些身體不太健康的人,尤其是視網(wǎng)膜年齡比實(shí)際年齡更老的人。





死亡風(fēng)險(xiǎn)知多少


訓(xùn)練完畢也驗(yàn)收合格的AI,要去觀察更多人的眼底圖,給出年齡預(yù)測(cè)。這次的圖像依然是來自英國生物樣本庫,但不用再篩選出健康的人,而是有無病史都入選??茖W(xué)家收集了35 913人的眼底圖,也清楚這些人在圖片拍攝時(shí)的年紀(jì),以及他們?cè)谂臄z完成后11年里的健康狀況(包括生死)。


團(tuán)隊(duì)把這些眼底圖交給AI去預(yù)測(cè),再拿AI預(yù)測(cè)的視網(wǎng)膜年齡減去實(shí)際年齡,得出年齡差。結(jié)果發(fā)現(xiàn),這個(gè)差值越大,圖片主人在圖片拍攝后11年里去世的概率也越高。


具體看來,視網(wǎng)膜年齡與實(shí)際年齡的差值每擴(kuò)大一年,圖片主人在11年觀察期內(nèi)的死亡概率會(huì)增加2%。或者說,視網(wǎng)膜年齡比實(shí)際年齡老得越多,死亡概率越高,存活機(jī)會(huì)越小。其中,視網(wǎng)膜比實(shí)際年齡老3歲以上的人,被科學(xué)家稱作“快速衰老者”(fast ager)。


被調(diào)查的三萬多人里,一共有1871人在觀察期內(nèi)過世。其中,321人(17.2%)的死因可以歸結(jié)于心血管疾病,1018人(54.4%)是癌癥,余下532人(28.4%)是其他原因。而這些情況又可以分開討論。


如果拋開心血管疾病和癌癥,只看其他部分,視網(wǎng)膜年齡與實(shí)際年齡的差值每擴(kuò)大一年,死亡概率會(huì)升高3%。如果把這個(gè)差值按從小到大排列,那排名后25%的人,與排名前25%的人相比,“其他原因”的死亡概率要高出67%。


而單看心血管疾病的案例時(shí),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜年齡與實(shí)際年齡的差值,和死亡率之間的關(guān)系并不明顯。但團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,這不代表視網(wǎng)膜無法反映心血管的衰老進(jìn)程,只是隨著醫(yī)學(xué)發(fā)展,一些曾經(jīng)致命的心血管問題已經(jīng)可以拯救,令相關(guān)疾病的死亡率下降了。



由此科學(xué)家相信,視網(wǎng)膜年齡與實(shí)際年齡的差值,可以作為人體衰老的生物標(biāo)志物(biomarker),也可以用來預(yù)測(cè)死亡風(fēng)險(xiǎn)。



這有科學(xué)依據(jù)么?


假如只是AI預(yù)測(cè)出的結(jié)果,而缺乏科學(xué)解釋,那么用視網(wǎng)膜圖片來推測(cè)衰老程度的方法,可能也很難走得更遠(yuǎn)。所以,圖像里的視網(wǎng)膜究竟能顯示出哪些健康問題?


比如,腎臟疾病就常常和眼部疾病結(jié)伴而行。畢竟,眼睛和腎臟在結(jié)構(gòu)、發(fā)育和遺傳路徑上都有許多相似之處:眼睛里的脈絡(luò)膜和腎小球,擁有結(jié)構(gòu)相似的血管網(wǎng)絡(luò);視網(wǎng)膜和腎小球的濾過屏障,擁有相似的發(fā)育路徑。


過往已經(jīng)有研究表明,慢性腎病和視網(wǎng)膜黃斑病變有關(guān);還有研究表明,視網(wǎng)膜微血管參數(shù)異??梢杂脕眍A(yù)測(cè)慢性腎病。視網(wǎng)膜中的栓子,就是可以阻塞血管的團(tuán)塊,也被科學(xué)家證實(shí)和慢性腎病等許多疾病都有關(guān)聯(lián)。


而本文的主角,那只預(yù)測(cè)視網(wǎng)膜年齡的AI,它有個(gè)注意力機(jī)制:就是會(huì)判斷圖片上的哪些區(qū)域更有助于自己的預(yù)測(cè),然后把那些部分的權(quán)重加大。而研究團(tuán)隊(duì)說,AI在眼底圖中更關(guān)注的區(qū)域也是視網(wǎng)膜的血管部分。


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左為眼底圖,右為同一張眼底圖被AI高亮了重點(diǎn)區(qū)域(圖片來源:原論文)


至于心血管疾病,雖然科學(xué)家這一次沒有找到相關(guān)死亡率和視網(wǎng)膜年齡差之間的聯(lián)系,但如果不討論死亡數(shù)據(jù),從前就已有不少研究認(rèn)為,眼睛是了解心血管疾病的窗口。


比如,雅典大學(xué)的伊利亞斯·喬治亞斯(Ilias Georgalas)教授介紹過一個(gè)病例。希臘一位77歲男子的右眼,在大約1小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)了三次短暫的視力模糊,每次持續(xù)5分鐘左右。


就診之后,醫(yī)生說他的眼壓正常且視力良好,但仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn),是一個(gè)血凝塊阻斷了視網(wǎng)膜一條分支動(dòng)脈的血液供應(yīng)。而查看眼睛,是醫(yī)生檢查患者體內(nèi)血管系統(tǒng)的一種簡單方法。喬治亞斯教授說,當(dāng)其他部位出現(xiàn)血管問題,大多能從眼睛里看出來。


對(duì)這位男子來說,醫(yī)生也是從視網(wǎng)膜的異常入手,發(fā)現(xiàn)他右側(cè)頸動(dòng)脈的血流有80%因?yàn)橹鄻佑不艿搅俗枞?,這是中風(fēng)的危險(xiǎn)信號(hào)。于是男子接受手術(shù),去除了堆積在血管里的斑塊。而作為參與治療的醫(yī)生,喬治亞斯教授還與同事合作發(fā)表過一項(xiàng)研究,強(qiáng)調(diào)視網(wǎng)膜分支動(dòng)脈阻塞的患者,患上嚴(yán)重(甚至致命)中風(fēng)的概率很高。


近年來,不論針對(duì)腎臟疾病還是心血管疾病,都有科學(xué)家利用機(jī)器學(xué)習(xí)AI,探討過視網(wǎng)膜圖像與這些健康問題的聯(lián)系。相比之下,研究人體的衰老問題,可能比研究特定的疾病更加復(fù)雜,很難建立起一個(gè)指標(biāo),直到出現(xiàn)了依靠DNA甲基化來預(yù)測(cè)年齡的“衰老時(shí)鐘”。而在2020年,是機(jī)器學(xué)習(xí)算法DeepMAge讓這座“衰老時(shí)鐘”獲得了前所未有的準(zhǔn)確度:預(yù)測(cè)年齡的誤差范圍在3年以內(nèi)。


如今,科學(xué)家又是在AI的幫助下,利用圖片中的視網(wǎng)膜預(yù)測(cè)年齡,從而判斷人體衰老快慢和死亡風(fēng)險(xiǎn)?;蛟S未來的某個(gè)人,還會(huì)因?yàn)锳I的預(yù)測(cè)獲得及時(shí)的治療,讓生命更好地延續(xù)。


原論文:

https://bjo.bmj.com/content/early/2021/11/17/bjophthalmol-2021-319807

參考鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0047637408002820

https://medicalxpress.com/news/2022-01-difference-retina-biological-age-person.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S008525381556362X

https://www.thelancet.com/journals/landig/article/PIIS2589-7500(20)30063-7/fulltext

https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMicm1500779

https://www.livescience.com/52922-eyes-problems-signal-cardiovascular-disease.html

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(12)00893-3

http://www.aginganddisease.org/EN/10.14336/AD.2020.1202



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