Interpretable machine learning for cognitive impairment prediction in Parkinson’s disease: a multicenter validation study with SHAP analysis

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作者
Ziyuan Wang,Junqiang Yan,Junqiang Yan
出处
期刊:Frontiers in Aging Neuroscience [Frontiers Media SA]
卷期号:17
标识
DOI:10.3389/fnagi.2025.1688653
摘要

Introduction Parkinson’s disease (PD)-related cognitive impairment (PD-CI) is a common and impactful complication of PD, yet current predictive models often rely on specialized resources, lack interpretability, or have limited cross-population validation. This study aimed to develop an interpretable machine learning framework for PD-CI detection using only routine clinical data, addressing unmet needs in accessible and generalizable PD care. Methods We analyzed 1,279 participants from the Parkinson’s Progression Markers Initiative (PPMI) as the discovery cohort and 197 patients from an independent validation cohort. PD-CI was defined by a Montreal Cognitive Assessment (MoCA) score ≤26 and Unified Parkinson’s Disease Rating Scale Part I (UPDRS-I) score ≥1. Twenty-one clinical features—encompassing hematological parameters, metabolic markers, and demographics—were preprocessed with synthetic minority over-sampling. Four machine learning models were trained and optimized via nested 5-fold cross-validation. Results The Random Forest algorithm achieved superior performance in the discovery cohort (AUC = 0.83), outperforming CatBoost (AUC = 0.82), XGBoost (AUC = 0.79), and neural networks (AUC = 0.66). External validation of the framework preserved 71.57% accuracy. SHAP interpretability analysis identified age, neutrophil-to-lymphocyte ratio (NLR), and serum uric acid as critical predictors, revealing synergistic risk effects between elevated inflammation markers and reduced antioxidant levels. Discussion This framework demonstrates diagnostic accuracy comparable to advanced neuroimaging while utilizing readily available clinical data, enhancing accessibility in resource-limited settings. It highlights neuroinflammation and oxidative stress as key mechanistic drivers of PD-CI, advancing pathophysiological understanding. Multicenter validation confirms the model’s robustness across ethnic populations, supporting its utility as a clinically actionable tool for PD-CI screening and monitoring.
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