For all questions:

+7 495 274-22-22

UDK: 616.89 DOI:10.33920/med-01-2404-11

Artificial intelligence in diagnosis of neurodegenerative disorders (literature review)

Petrova Elena Vladimirovna PhD Candidate of Medical Sciences, associate professor, head of the Department of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Penza State University”, 40, Krasnaya str., Penza, 440026, Russia, https://orcid.org/0000-0002-5941-8300, petrovaelena2010@yandex.ru
Suchkova Elena Viktorovna PhD Candidate of Medical Sciences, associate professor of the Department of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Penza State University”, 40, Krasnaya str., Penza, 440026, Russia, https://orcid.org/0000-0002-9693-7636, elena30.05.1972g@gmail.com
Nour Haddad student of the Medical Institute, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Penza State University”, 40, Krasnaya str., Penza, 440026, Russia, https://orcid.org/0009-0001-6556-4136, nourhaddad35@gmail.com
Mira Ali-Hassan student of the Medical Institute, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Penza State University”, 40, Krasnaya str., Penza, 440026, Russia, https://orcid.org/0009-0005-43407614, miraalihassan2000@gmail.com
Bodrov Vladimir Anatolievich student of the Institute of Clinical Medicine, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Samara State Medical University” of the Ministry of Health of the Russian Federation, 89, Chapaevskaya str., Samara, 443099, Russia, https://orcid.org/0009-0009-1238-2679, BodrovVA00@yandex.ru

Currently, there are virtually no objective diagnostic signs (markers) to diagnose neurodegenerative diseases, that is why it may take months of constant monitoring of symptoms to establish a reliable diagnosis. Now there is an increasing number of reports that artificial intelligence can provide a more accurate diagnosis of neurodegenerative diseases by identifying specific diagnostic features from electroencephalography data, neuroimaging, and wearable devices and smartphones. This study reviews the application of artificial intelligence to the diagnosis of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and Huntington's disease. Using the international databases Scopus and PubMed, as well as the Russian Science Citation Index, we analysed studies that used artificial intelligence methods to detect, monitor, or control the progression of neurodegenerative diseases. The primary focus is on analysing electroencephalography data, neuroimaging data, and data from wearable devices and smartphones. The use of the latter may allow screening, diagnosis, and monitoring of the disease at home with a minimum economic cost. Artificial intelligence can be a useful tool for early, accurate, and non-invasive diagnosis of neurodegenerative diseases, as well as for assessing the effectiveness of treatment and predicting the course of the disease. However, for the widespread implementation of artificial intelligence in clinical practice, several issues related to the quality, availability, and standardization of data, validation and interpretation of results, ethical and legal aspects need to be resolved. The use of artificial intelligence requires both specialists from the IT industry with a deep understanding of the types and kinds of neural networks and physicians with fundamental knowledge of neurology, psychiatry, molecular biology, and biophysics.

Искусственный интеллект (ИИ) — это область информатики и компьютерных наук, занимающаяся разработкой алгоритмов и программ, которые позволяют компьютерам выполнять задачи, ранее осуществляемые только человеком. ИИ включает в себя различные методы и технологии, такие как машинное обучение, нейронные сети, генетические алгоритмы, логические системы. Эти инструменты позволяют анализировать большие объёмы данных, делать прогнозы и находить закономерности, которые невозможно определить с помощью традиционных статистических методов [1]. Многие исследователи отмечают важную роль ИИ как метода диагностики, выбора оптимального лечения и прогноза различных заболеваний. Он всё чаще используется в медицинских информационно-аналитических системах в виде системы поддержки принятия врачебных решений [2].

Главным преимуществом ИИ для анализа данных является его способность к самообучению и самокоррекции, что позволяет искусственному интеллекту улучшать свои модели на основе новых данных и приводит к увеличению точности и надежности результатов при диагностике и прогнозе заболеваний. Эффективность данного процесса напрямую связана с объемом обучающих данных: использование большего количества данных для обучения ИИ способствует улучшению точности результатов, позволяет модели лучше улавливать закономерности и обобщать свои предсказания на более широкий спектр ситуаций.

При разработке нейросетевых моделей исследователи используют специализированные статистические методы для решения различных задач, в том числе классификации, регрессии, кластеризации, снижения размерности и так далее. Например, метод k-ближайших соседей (k-nearest neighbors, или kNN) — это алгоритм, основанный на принципе определения класса объекта путем анализа его близости к другим объектам в пространстве признаков. При классификации нового объекта алгоритм находит k ближайших соседей из обучающего набора данных и присваивает ему класс, наиболее распространенный среди этих соседей. Этот метод не требует предварительной обработки данных и может быть эффективен в случаях, когда объекты одного класса образуют компактные кластеры в пространстве признаков. Метод главных компонентов или метод снижения размерности используется для уменьшения количества признаков в наборе данных. Он заключается в нахождении линейных комбинаций исходных признаков, которые максимально сохраняют информацию о данных. Эти комбинации называются главными компонентами и используются для создания новых признаков, которые затем могут быть использованы для обучения модели машинного обучения. Метод случайного леса (Random Forest) представляет собой алгоритм, который используется как для задач классификации, так и для задач регрессии. Он основан на идее построения множества деревьев решений во время обучения их на различных подмножествах обучающих данных и признаков. Затем результаты всех деревьев усредняются для получения окончательного предсказания. Метод хорошо работает на разнообразных типах данных и обладает способностью к обобщению, что делает его популярным инструментом в машинном обучении. Метод опорных векторов (support vector machine) является алгоритмом, который находит оптимальную разделяющую гиперплоскость между классами данных для решения задач классификации и регрессии. Гиперплоскость выбирается таким образом, чтобы максимизировать расстояние до ближайших точек каждого класса, называемых опорными векторами. Таким образом, SVM пытается найти наилучшую разделяющую гиперплоскость, которая обобщает данные и позволяет делать точные прогнозы для новых наблюдений. Для оценки модели машинного обучения применятся метод кросс-валидации, который используется для проверки того, насколько хорошо модель обобщает данные, которые не были использованы при ее обучении. Он заключается в разбиении исходных данных на несколько частей, обучении модели на одной части и проверке ее производительности на другой.

For citation:
Petrova Elena Vladimirovna, Suchkova Elena Viktorovna, Nour Haddad, Mira Ali-Hassan, Bodrov Vladimir Anatolievich, Artificial intelligence in diagnosis of neurodegenerative disorders (literature review). Bulletin of Neurology, Psychiatry and Neurosurgery. 2024;4.
The full version of the article is available for subscribers of the journal
Article language:
Actions with selected: