ＡＤＨＤの脳構造の特徴を人工知能により解明し、遺伝子多型の影響を発見

2018-12-05

2018/12/03 福井大学,科学技術振興機構

ポイント

ＡＤＨＤ（注意欠如・多動症）児の脳構造の解析において人工知能（機械学習）を導入し、ＡＤＨＤ児には特定の脳部位に特徴があることを高い精度（約８０％）で明らかにした。
これらの脳部位のうち「眼窩前頭皮質」では、ＡＤＨＤの要因の１つ、実行機能に影響しているＣＯＭＴ遺伝子の多型と脳構造との関連も確認できた。
本成果を基に、国際的なデータベースで検証した結果、米国・中国のＡＤＨＤ児でも７３％の精度で確認され、将来、国際的な診断指標として応用できる可能性が示唆された。

本研究の一部は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）ＲＩＳＴＥＸ「養育者支援によって子どもの虐待を低減するシステムの構築」プロジェクト、科学研究費補助金若手研究、基盤研究（Ｂ）、挑戦的萌芽研究、武田科学振興財団からの支援を受けて行われました。

＜研究の背景と経緯＞

ＡＤＨＤは神経発達症（発達障がい）の１つで、不注意（気が散りやすい、忘れ物が多い、不注意な間違いが多い）や多動性－衝動性（落ち着きがない、我慢するのが苦手）が特徴です。国内での有病率は３～７％程度（３０人クラスに１～２人）とされています。発症の要因としては、遺伝的な要因と脳発達要因が知られていますが、その仕組みと関係性についてはまだ明確な答えはないのが実情です。

近年、世界中で種々の神経発達症に対し人工知能（ＡＩ）技術を用いた新たな診断法、治療法の開発を目指す研究プロジェクトが始まっています。

これまで、研究代表者の友田教授らのグループはＡＤＨＤ発症を巡る遺伝的要因と脳発達要因をＭＲＩ（磁気共鳴画像法）による脳構造・ネットワークの把握によって解明してきました（Neuroimage Clinical 2015, Scientific Reports 2017）。

本研究では、精度の高い人工知能技法の１つである機械学習を利用することで、ＭＲＩによる脳画像データによる診断やＡＤＨＤ児の遺伝的要因との関連を解明することが可能だと考えました。

＜研究の内容＞

福井大学子どものこころの発達研究センターの友田明美　教授とジョンミンヨン　特命教授らは、米国の精神疾患の診断・統計マニュアル第５版（ＤＳＭ－５^注１））に基づいて診断された７～１５歳のＡＤＨＤの児童３９人と、年齢、ＩＱ（知能指数）がマッチした定型発達児３４人（いずれも男児）を対象にＭＲＩで脳を撮像し、全１４８の脳領域ごとに脳皮質の厚みと面積のデータを取って、「サポート・ベクター・マシン」という機械学習の技法で解析しました。

その結果、１４８領域のうち眼窩前頭皮質外側など１６領域の皮質の厚み、１１領域の皮質の面積にＡＤＨＤの特徴が現れることが判明しました（参考図）。各領域の厚み、面積の値の個々にＡＤＨＤかどうかの境界値が明確にあるわけではないものの、この成果により１６領域、１１領域の値の全体像から７４～７９％の精度で識別できることを確認しました。

さらに、本成果とＡＤＨＤ発症に関連があることが分かっているＣＯＭＴ遺伝子^注２）の多型について検討したところ、眼窩前頭皮質外側など２領域で多型のうち、あるタイプではこの領域の皮質の厚み、面積と、ＡＤＨＤの症状の１つである「作業記憶の苦手さ」とに有意な関係があることが分かりました。

これらの成果が国際的にも応用できる可能性を検討するため、国際大規模データベースからＡＤＨＤ児８３人と、年齢、ＩＱがマッチした定型発達児１１５人の脳画像データを参照し、同じ解析を実施したところ、７３％の精度で両者が識別されることが確認できました。この結果から、将来、国際的な診断指標として応用できる可能性が示唆されました。

本研究成果は、２０１８年１２月３日（英国時間）に英国科学雑誌「ＣｅｒｅｂｒａｌＣｏｒｔｅｘ」に掲載されます。

＜今後の展開＞

本研究の検査手法は、測定時間が５分以内と短く、検査中に特定の課題遂行が不要で、被験者への負担が少ないという特徴があります。今回の研究では、女児より有病率が高いことから男児を対象としましたが、今後は女児、幼児から成人までの幅広い年齢層、知的障害を有する方など対象を拡大していきます。ＡＤＨＤは現在、専門的な医師による面接や症状のチェックリストで診断が行われていますが、この研究では「ＭＲＩの撮影をすることで脳科学的にＡＤＨＤの診断ができる」ところまでの応用性を検討することを目標としています。

＜用語解説＞

注１）ＤＳＭ－５: 精神疾患の診断の国際標準の１つとして世界的に普及しているマニュアル。米国精神医学会が精神疾患の分類のための共通用語と標準的な基準を提示するため編集・出版している。第５版は２０１３年に発表された最新版。
注２）ＣＯＭＴ（ｃａｔｅｃｈｏｌ－Ｏ－ｍｅｔｈｙｌｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ）遺伝子: ＣＯＭＴはドパミン、ノルエピネフリンなど「カテコラミン」と呼ばれる脳内の神経伝達物質を分解する酵素の１つで、友田教授らはこれまでにこの遺伝子の多型が、右小脳の一部と左背外側前頭前野の機能的結合の弱さと関連しており、ＡＤＨＤ症状の１つである実行機能の低下に影響している可能性を明らかにした。

＜参考図＞

＜論文情報＞

タイトル:“The effects of COMT polymorphism on cortical thickness and surface area abnormalities in children with ADHD”
（人工知能（機械学習）によるADHDの遺伝要因と脳構造との関連を解明）

著者名:Minyoung Jung, Yoshifumi Mizuno, Takashi X. Fujisawa, Shinichiro Takiguchi, Jian Kong, Hirotaka Kosaka, Akemi Tomoda.

ＤＯＩ:10.1093/cercor/bhy269