费城，2024年9月3日——大多数精神健康障碍在青春期表现出来，与神经生物学和环境因素的多重相互作用有关。而不是孤立地考虑这些因素，一种新开发的多元学习技术可以模拟大脑与环境的相互作用，与目前的方法相比，它大大提高了对现有心理健康症状的检测和对未来症状的预测。爱思唯尔发表在《生物精神病学:认知神经科学和神经影像学》上的这项研究强调了将青少年大脑与其发育环境结合起来考虑的重要性。

人们越来越需要建立更复杂但又细致入微的人类生物学和行为模型，特别是当它们与心理健康症状的发展有关时。尽管这个问题很重要，但大多数工作仍然认为大脑和环境是孤立的，或者是单变量和线性的相互作用。

May I. Conley, MS, MPhil，博士候选人，耶鲁大学心理学系，该研究的共同主要作者说:“长期以来，发展科学家一直面临着测试理论的挑战，这些理论在很多方面都隐藏在人们的视线中。从邻里到家庭，我们认识到青少年在他们的环境和神经生物学中的经历都会影响情感和行为的发展。然而，我们还没有办法精确地捕捉这种相互作用的复杂性。”

为了解决这个问题，研究人员转向了流形学习，这是一种很有前途的算法，用于从功能磁共振成像(fMRI)等高维生物医学数据中发现潜在结构。他们开发了外源性PHATE (E-PHATE)算法来模拟大脑与环境的相互作用。利用由美国国立卫生研究院和其他联邦合作伙伴支持的青少年大脑和认知发展(ABCD)数据集，他们使用参与者在情绪和认知处理过程中大脑激活的E-PHATE嵌入来预测认知、情绪和行为症状的个体差异，包括横断面和纵向。

该研究中最值得注意的发现之一是将其他环境变量结合到E-PHATE的外源性观点中的影响。研究人员通过在E-PHATE中对邻里或家庭环境进行建模，发现大脑活动与心理健康症状之间存在更大的相关性，但通过将这些指标与其他指标结合起来，该模型不断改进其代表性。然而，这是特定于添加环境信息的，而不是变量数量的影响(这是通过额外的分析来测试的)。这一发现加强了考虑青少年所处的多种环境以及他们的大脑如何从这些环境中获取信息的必要性。

Erica L. Busch，耶鲁大学心理学系硕士、哲学硕士、博士候选人，该研究的第一作者，继续说道:“我很高兴看到我为基础科学问题开发的神经成像数据建模原则可以迅速适用于临床应用，并产生了如此惊人的结果和机制见解。它还强调了跨学科合作的丰硕成果;我的研究生同事May Conley和她的导师Baskin-Sommers博士是心理健康症状的生物心理社会模型方面的专家，结合我的计算经验，我们每个人都在定义这个项目的问题和方法方面发挥了关键作用。”

这项工作强调了新的机器学习和信号处理方法的临床应用。具体来说，它强调了青少年大脑和环境之间关系的重要性和复杂性，因为它们与情绪和行为症状有关。研究人员提出了一种通用的方法，在临床和非临床领域都有广泛的应用。

《生物精神病学:认知神经科学和神经影像学》的主编，加州大学欧文分校的医学博士Cameron S. Carter评论道:“几十年的发展研究表明，神经生物学和环境背景共同塑造了心理健康症状的发展。这项研究证明了更多的计算方法，如流形学习，对复杂的多模态发育数据建模的适用性，并且它们有很大的潜力来加强对青少年情绪和行为症状的神经生物学研究。”

目前的研究在三个主要方面是新颖的:

1. 通过描述神经和环境作为多变量测量的心理数据。
2. 由有限公司考虑到他们之间的互动没有非线性的和低维的Nal(即，像大多数真实世界的数据一样，沿着潜在流形存在)。
3. 通过允许假设和数据驱动的同时发现这些信号的有意义的表示。

资深作者、耶鲁大学心理学系博士Arielle Baskin-Sommers总结道:“作为一个领域，我们提高捕捉人与环境之间复杂交易的能力是很重要的。然而，为了估计这些事务，需要新的方法来处理多种类型的数据并估计它们在个体中的交互。这种跨学科合作产生的方法是我们如何评估这些复杂交易的一个例子。”