Kirurger simulerer hele hjerner for at fastslå kilden til deres patienters anfald

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Surgeons Are Simulating Whole Brains to Pin Down the Source of Their Patients’ Seizures PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

For et årti siden blev Human Brain Project lanceret med et blåt himmelmål: digitalisering af en menneskelig hjerne.

Målet var ikke at konstruere en gennemsnitlig hjerne ud fra grupper af mennesker. Det var snarere at replikere dele af en persons unikke neurale forbindelser i en personlig virtuel hjernetvilling.

Implikationerne var enorme: simulerede hjerner kunne give afgørende spor for at hjælpe med at knække nogle af de mest bekymrende neurologiske sygdomme. I stedet for at bruge dyremodeller, repræsenterer de måske bedre en Alzheimers hjerne, eller en fra mennesker med autisme eller epilepsi.

Milliard-euro-projektet var i første omgang mødt med stor skepsis. Men da projektet blev afsluttet i sidste måned, opnåede det en milepæl. I en undersøgelse offentliggjort i januar, viste holdene, at virtuelle hjernemodeller af mennesker med epilepsi kan hjælpe neurokirurger med bedre at jage de hjerneområder, der er ansvarlige for deres anfald.

Hver virtuel hjerne udnyttede en beregningsmodel kaldet Virtual Epileptic Patient (VEP), som bruger en persons hjernescanninger til at skabe deres digitale tvilling. Med en dosis AI simulerede holdet, hvordan anfaldsaktivitet spredes over hjernen, hvilket gør det nemmere at spotte hotspots og bedre målrette kirurgisk indgreb. Metoden er nu ved at blive testet i en igangværende kliniske forsøg kaldet EPINOV. Hvis det lykkes, vil det være den første personaliserede hjernemodelleringsmetode, der bruges til epilepsikirurgi og kan bane vejen for at tackle andre neurologiske lidelser.

Resultaterne vil være en del af arven fra den virtuelle hjerne (TVB), en beregningsplatform til digitalisering af personlige neurale forbindelser. Jagtbeslaglæggelser er kun begyndelsen. For Dr. Viktor Jirsa ved Aix-Marseille Universitet i Frankrig, som ledede indsatsen, kan disse simuleringer transformere, hvordan vi diagnosticerer og behandler neurologiske lidelser.

For at være klar: modellerne er ikke nøjagtige kopier af en menneskelig hjerne. Der er ingen beviser for, at de "tænker" eller er bevidste på nogen måde. De simulerer snarere personaliserede hjernenetværk - det vil sige hvordan en hjerneregion "taler" med en anden - baseret på billeder af deres ledninger.

"Efterhånden som beviser akkumuleres til støtte for den forudsigelige kraft af personaliserede virtuelle hjernemodeller, og efterhånden som metoder testes i kliniske forsøg, kan virtuelle hjerner informere klinisk praksis i den nærmeste fremtid," Jirsa og kolleger skrev.

Biologiske til digitale hjerner

Storstilede hjernekortlægningsprojekter synes nu triviel. Fra dem der kortlægger forbindelser på tværs af en pattedyrs hjerne til dem, der destillerer hjernens algoritmer fra neurale ledninger, hjernekort er vokset til flere atlas og 3D-modeller, som alle kan udforske.

Flashback til 2013. AI til at dechifrere hjernen var bare en drøm - men en, der allerede blev forfulgt af en skrabet startup nu kendt som DeepMind. Neurovidenskabsmænd jagtede den neurale kode - hjernens algoritmer - med succes, men i uafhængige laboratorier.

Hvad hvis vi kombinerede disse bestræbelser?

Gå ind i Human Brain Project (HBP). Med mere end 500 videnskabsmænd på tværs af 140 universiteter og andre forskningsinstitutioner blev EU-projektet et af de første store programmer – sammen med USA's BRAIN Initiative og Japans Hjerne/SIND- at forsøge at løse hjernens mysterier ved digitalt at kortlægge dens indviklede forbindelser.

HBP's kerne er en digital platform kaldet EBRAINS. Tænk på det som en offentlig plads, hvor neuroforskere samler og åbent deler deres data for at samarbejde med et bredere fællesskab. Til gengæld er det håbet, at den globale indsats kan generere bedre modeller af hjernens indre funktion.

Hvorfor bekymre sig? Vores tanker, erindringer og følelser er alle indkodet i hjernens neurale netværk. Ligesom hvordan Google Maps til lokale veje giver indsigt i trafikmønstre, kan hjernekort give ideer til, hvordan neurale netværk normalt kommunikerer – og hvornår de går galt.

Et eksempel: Epilepsi.

Den virtuelle epilepsi-tvilling

Epilepsi påvirker omkring 50 millioner mennesker verden over og udløses af unormal hjerneaktivitet. Der er medicinske behandlinger. Desværre reagerer omkring en tredjedel af patienterne ikke på anti-anfaldsmedicin og skal opereres.

Det er en hård procedure. Patienter implanteres med flere elektroder for at jage kilden til anfaldene (kaldet den epileptogene zone). En kirurg klipper derefter disse dele af hjernen væk i håb om at dæmpe uønskede neurale lynstorme og minimere bivirkninger.

Operationen er en "stor game changer" for mennesker med epilepsi, der ikke kan behandles, sagde Dr. Aswin Chari ved University College London, som ikke var involveret i undersøgelsen. Men proceduren har kun en succesrate på omkring 60 procent, hovedsagelig fordi den epileptogene zone er svær at udpege.

"Før kirurgi kan finde sted, skal patienten have en prækirurgisk evaluering for at fastslå, om og hvordan kirurgisk behandling kan stoppe deres anfald uden at forårsage neurologiske underskud." sagde Jirsa og kolleger.

Den nuværende metode er afhængig af et utal af hjernescanninger. MR (magnetisk resonansbilleddannelse) kan for eksempel kortlægge detaljerede strukturer i hjernen. EEG (elektroencefalografi) fanger hjernens elektriske mønstre med strategisk placerede elektroder over hovedbunden.

SEEG (stereoelektroencefalografi) er den næste anfaldsjæger. Her placeres op til 16 elektroder direkte i kraniet for at overvåge mistænkelige områder i op til to uger. Metoden er, selvom den er kraftfuld, langt fra perfekt. Hjernens elektriske aktivitet "brummer" ved forskellige frekvenser. Som et par almindelige hovedtelefoner fanger SEEG højfrekvent hjerneaktivitet, men savner "bassen" - lavfrekvente aberrationer, som nogle gange ses i anfald.

I den nye undersøgelse integrerede holdet alle disse testresultater i Virtual Epileptic Patient-modellen bygget på Virtual Brain-platformen. Det starter med billeder af hver patients hjerne fra MR- og CT-scanninger - sidstnævnte sporer de hvide stof-motorveje, der forbinder hjerneregioner. Dataene, når de kombineres med SEEG-optagelser, rulles sammen til personlige kort med "knuder" - dele af hjernen, der er stærkt forbundet med hinanden.

Disse personlige kort bliver en del af den prækirurgiske screeningsrutine uden ekstra indsats eller stress på patienten.

Ved hjælp af maskinlæringsbaserede simuleringer kan teamet bygge en "digital tvilling", der groft efterligner en persons hjernestruktur, aktivitet og dynamik. I en retrospektiv test af 53 personer med epilepsi brugte de disse virtuelle hjerner til at jage den hjerneregion, der er ansvarlig for hver persons anfald, ved at udløse anfaldslignende aktivitet i de digitale hjerner. Ved at teste flere virtuelle operationer fandt holdet regioner, der skulle fjernes for det bedste resultat.

I et eksempel genererede holdet en virtuel hjerne til en patient, der fik fjernet 19 dele af sin hjerne for at befri ham for sine anfald. Ved hjælp af simuleret kirurgi matchede de virtuelle resultater resultatet af de faktiske.

Samlet set omfatter simuleringerne hele hjernen. De er personlige atlasser af 162 hjerneområder med en opløsning på omkring en kvadratmillimeter - omtrent på størrelse med et lille sandkorn. Holdet arbejder allerede på at øge opløsningen med tusind gange.

En personlig fremtid

Det igangværende epilepsiforsøg EPINOV har rekrutteret over 350 personer. Forskere vil følge op på deres resultater i et år for at se, om en digital surrogathjerne hjælper med at holde dem fri for anfald.

På trods af et årtis arbejde er det stadig tidligt at bruge virtuelle hjernemodeller til at behandle lidelser. For det første ændrer neurale forbindelser sig over tid. En model af en epilepsipatient er blot et øjebliksbillede i tid og fanger muligvis ikke deres helbredsstatus efter behandling eller andre livsbegivenheder.

Men den virtuelle hjerne er et kraftfuldt værktøj. Ud over epilepsi, er det sat til at hjælpe forskere med at udforske andre neurologiske lidelser, såsom Parkinsons sygdom eller multipel sklerose. I sidste ende, sagde Jirsa, handler det om samarbejde.

"Computational neuromedicin har brug for at integrere højopløselige hjernedata og patientspecificitet," han sagde. "Vores tilgang er stærkt afhængig af forskningsteknologierne i EBRAINS og kunne kun have været mulig i et storstilet samarbejdsprojekt såsom Human Brain Project."

Billede Credit: KOMMERS / Unsplash