Enhancing Brain Age Estimation with a Multimodal 3D CNN Approach Combining Structural MRI and AI-Synthesized Cerebral Blood Volume Measures
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Brain age gap estimation (BrainAGE) is a promising imaging-derived biomarker of neurobiological ageing and disease risk, yet current approaches rely predominantly on T1-weighted structural MRI, overlooking functional vascular changes that may precede tissue damage and cognitive decline. Deep learning-derived cerebral blood volume (DeepCBV) maps, synthesized from non-contrast MRI, offer a scalable alternative to contrast-enhanced perfusion imaging by capturing vascular information relevant to early neurodegeneration. We developed a multimodal BrainAGE framework that combines predictions from two separate three-dimensional convolutional neural networks: one trained only on structural MRI scans and another trained only on DeepCBV maps generated by a pre-trained three-dimensional patch-based deep learning model. Each model was trained and validated on 2851 scans (1507 females) from 13 open-source datasets and was evaluated for concordance with mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer’s disease (AD) using 1233 subjects. The combined model achieved the most accurate brain age gap for cognitively normal (CN) controls, with a mean absolute error of 3.95 years (R2 = 0.943), outperforming models trained on MRI (mean absolute error = 4.10) or DeepCBV alone (mean absolute error = 4.49). Saliency maps revealed complementary modality contributions: MRI emphasized white matter and cortical atrophy, while DeepCBV highlighted vascular-rich and periventricular regions implicated in hypoperfusion and early cerebrovascular dysfunction, consistent with known patterns of normal ageing. Next, we observed that BrainAGE increased stepwise across diagnostic strata (CN < MCI < AD) and correlated with cognitive impairment (Clinical Dementia Rating Sum of Boxes ⍴ = 0.403; Mini-Mental State Examination ⍴ = −0.310). DeepCBV-based BrainAGE showed a particularly strong separation between stable versus progressive MCI (Mann–Whitney U = 2.177 × 104, P = 4.43 × 10−8), suggesting sensitivity to prodromal vascular changes that precede overt atrophy. Integrating structural MRI with deep learning-derived vascular measures substantially enhances BrainAGE estimation and improves sensitivity to MCI and Alzheimer’s disease progression, supporting its potential role in risk stratification, early detection and monitoring of therapeutic response. By enabling a functional-like assessment from routine MRI, this approach lowers barriers to multimodal evaluation and provides a clinically actionable biomarker for large-scale ageing and dementia studies.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».