Chirurgen simulieren ganze Gehirne, um die Ursache der Anfälle ihrer Patienten zu ermitteln

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Chirurgen simulieren ganze Gehirne, um die Ursache der Anfälle ihrer Patienten zu ermitteln. PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Vor einem Jahrzehnt startete das Human Brain Project mit einem klaren Ziel: die Digitalisierung eines menschlichen Gehirns.

Das Ziel war nicht, aus Gruppen von Menschen ein durchschnittliches Gehirn zu konstruieren. Vielmehr ging es darum, Teile der einzigartigen neuronalen Verbindungen einer Person in einem personalisierten virtuellen Gehirnzwilling zu replizieren.

Die Auswirkungen waren enorm: Simulierte Gehirne könnten entscheidende Hinweise liefern, um einige der beunruhigendsten neurologischen Erkrankungen zu knacken. Anstatt Tiermodelle zu verwenden, könnten sie besser ein Alzheimer-Gehirn oder eines von Menschen mit Autismus oder Epilepsie darstellen.

Das Milliardenprojekt war anfänglich stieß auf große Skepsis. Doch als das Projekt letzten Monat abgeschlossen wurde, erreichte es einen Meilenstein. In einer Studie Im Januar dieses Jahres veröffentlicht, zeigten die Teams, dass virtuelle Gehirnmodelle von Menschen mit Epilepsie Neurochirurgen helfen können, die für ihre Anfälle verantwortlichen Gehirnregionen besser aufzuspüren.

Jedes virtuelle Gehirn nutzte ein Computermodell namens Virtual Epileptic Patient (VEP), das die Gehirnscans einer Person verwendet, um ihren digitalen Zwilling zu erstellen. Mit einer Dosis KI simulierte das Team, wie sich die Anfallsaktivität über das Gehirn ausbreitet, wodurch es einfacher wird, Hotspots zu erkennen und chirurgische Eingriffe besser zu zielen. Die Methode wird nun in einem erprobt laufende klinische Studie genannt EPINOV. Wenn es erfolgreich ist, wird es die erste personalisierte Gehirnmodellierungsmethode sein, die für die Epilepsiechirurgie verwendet wird, und könnte den Weg für die Bekämpfung anderer neurologischer Störungen ebnen.

Die Ergebnisse werden Teil des Vermächtnisses von das virtuelle Gehirn (TVB), eine Computerplattform zur Digitalisierung personalisierter neuronaler Verbindungen. Jagdanfälle sind nur der Anfang. Laut Dr. Viktor Jirsa von der Universität Aix-Marseille in Frankreich, der die Bemühungen leitete, könnten diese Simulationen die Art und Weise verändern, wie wir neurologische Erkrankungen diagnostizieren und behandeln.

Um es klar zu sagen: Die Modelle sind keine exakten Nachbildungen eines menschlichen Gehirns. Es gibt keine Beweise dafür, dass sie „denken“ oder in irgendeiner Weise bewusst sind. Vielmehr simulieren sie personalisierte Gehirnnetzwerke – also wie eine Gehirnregion mit einer anderen „spricht“ – basierend auf Bildern ihrer Verkabelung.

„Da sich Beweise für die Vorhersagekraft personalisierter virtueller Gehirnmodelle häufen und Methoden in klinischen Studien getestet werden, könnten virtuelle Gehirne in naher Zukunft die klinische Praxis beeinflussen“, Jirsa und Kollegen schrieb.

Biologische zu digitalen Gehirnen

Groß angelegte Brain-Mapping-Projekte scheinen jetzt trivial. Von diesen die Verbindungen über ein Säugetiergehirn abbilden zu denen, die die Algorithmen des Gehirns destillieren neuronale Verdrahtung, Gehirnkarten sind zu mehreren Atlanten gewachsen und 3D-Modelle, die jeder erkunden kann.

Rückblende ins Jahr 2013. KI zur Entschlüsselung des Gehirns war nur ein Traum – aber einer, der bereits von einem schäbigen Startup namens DeepMind verfolgt wurde. Neurowissenschaftler jagten den neuralen Code – die Algorithmen des Gehirns – mit Erfolg, aber in unabhängigen Labors.

Was wäre, wenn wir diese Bemühungen bündeln würden?

Betreten Sie das Human Brain Project (HBP). Mit mehr als 500 Wissenschaftlern an 140 Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen wurde das Projekt der Europäischen Union neben dem der USA zu einem der ersten groß angelegten Programme BRAIN-Initiative und Japans Gehirn/VERSTAND– um zu versuchen, die Rätsel des Gehirns zu lösen, indem es seine komplizierten Verbindungen digital abbildet.

Das Herzstück des HBP ist eine digitale Plattform namens EBRAINS. Betrachten Sie es als einen öffentlichen Platz, auf dem sich Neurowissenschaftler versammeln und ihre Daten offen teilen, um mit einer breiteren Gemeinschaft zusammenzuarbeiten. Im Gegenzug hofft man, dass die globalen Bemühungen bessere Modelle der inneren Funktionsweise des Gehirns hervorbringen können.

Warum kümmern? Unsere Gedanken, Erinnerungen und Emotionen sind alle in den neuronalen Netzwerken des Gehirns kodiert. So wie Google Maps für lokale Straßen Einblicke in Verkehrsmuster gibt, können Brain Maps Ideen darüber anregen, wie neuronale Netzwerke normalerweise kommunizieren – und wann sie schief gehen.

Ein Beispiel: Epilepsie.

Der virtuelle Epilepsie-Zwilling

Epilepsie betrifft weltweit etwa 50 Millionen Menschen und wird durch abnormale Gehirnaktivität ausgelöst. Es gibt medizinische Behandlungen. Unglücklicherweise spricht rund ein Drittel der Patienten nicht auf Medikamente gegen Krampfanfälle an und muss operiert werden.

Es ist ein zähes Verfahren. Den Patienten werden mehrere Elektroden implantiert, um die Quelle der Anfälle (die sogenannte epileptogene Zone) aufzuspüren. Ein Chirurg schneidet dann diese Teile des Gehirns weg, in der Hoffnung, unerwünschte neurale Gewitterstürme zum Schweigen zu bringen und Nebenwirkungen zu minimieren.

Die Operation ist ein „riesiger Spielveränderer“ für Menschen mit nicht behandelbarer Epilepsie, sagte Dr. Aswin Chari vom University College London, der nicht an der Studie beteiligt war. Aber das Verfahren hat nur eine Erfolgsquote von etwa 60 Prozent, vor allem, weil die epileptogene Zone schwer zu lokalisieren ist.

„Bevor eine Operation stattfinden kann, muss der Patient präoperativ untersucht werden, um festzustellen, ob und wie eine chirurgische Behandlung seine Anfälle stoppen könnte, ohne neurologische Defizite zu verursachen.“ sagte Jirsa und Kollegen.

Die aktuelle Methode stützt sich auf eine Vielzahl von Gehirnscans. Die MRT (Magnetresonanztomographie) beispielsweise kann detaillierte Strukturen des Gehirns abbilden. Das EEG (Elektroenzephalographie) erfasst die elektrischen Muster des Gehirns mit strategisch platzierten Elektroden über der Kopfhaut.

SEEG (Stereoelektroenzephalographie) ist der nächste Anfallsjäger. Dabei werden bis zu 16 Elektroden direkt im Schädel platziert, um verdächtige Stellen bis zu zwei Wochen zu überwachen. Die Methode ist zwar mächtig, aber alles andere als perfekt. Die elektrische Aktivität des Gehirns „brummt“ auf verschiedenen Frequenzen. Wie ein einfacher Kopfhörer erfasst SEEG die hochfrequente Gehirnaktivität, verfehlt aber den „Bass“ – niederfrequente Aberrationen, die manchmal bei Anfällen auftreten.

In der neuen Studie integrierte das Team all diese Testergebnisse in das virtuelle epileptische Patientenmodell, das auf der Virtual Brain-Plattform aufgebaut wurde. Es beginnt mit Bildern des Gehirns jedes Patienten aus MRT- und CT-Scans – letztere spüren die Autobahnen der weißen Substanz auf, die Gehirnregionen verbinden. Die Daten werden, wenn sie mit SEEG-Aufzeichnungen kombiniert werden, zu personalisierten Karten mit „Knoten“ zusammengefasst – Teilen des Gehirns, die stark miteinander verbunden sind.

Diese personalisierten Karten werden ohne zusätzlichen Aufwand oder Stress für den Patienten Teil der präoperativen Screening-Routine.

Mithilfe von auf maschinellem Lernen basierenden Simulationen kann das Team einen „digitalen Zwilling“ erstellen, der die Gehirnstruktur, -aktivität und -dynamik einer Person grob nachahmt. In einem retrospektiven Test mit 53 Menschen mit Epilepsie verwendeten sie diese virtuellen Gehirne, um die für die Anfälle jeder Person verantwortliche Gehirnregion aufzuspüren, indem sie anfallsähnliche Aktivitäten in den digitalen Gehirnen auslösten. Beim Testen mehrerer virtueller Operationen fand das Team Regionen, die entfernt werden sollten, um das beste Ergebnis zu erzielen.

In einem Beispiel generierte das Team ein virtuelles Gehirn für einen Patienten, dem 19 Teile seines Gehirns entfernt wurden, um ihn von seinen Anfällen zu befreien. Unter Verwendung einer simulierten Operation stimmten die virtuellen Ergebnisse mit den tatsächlichen Ergebnissen überein.

Insgesamt umfassen die Simulationen das gesamte Gehirn. Es sind personalisierte Atlanten von 162 Hirnregionen mit einer Auflösung von etwa einem Quadratmillimeter – etwa so groß wie ein kleines Sandkorn. Das Team arbeitet bereits daran, die Auflösung um das Tausendfache zu erhöhen.

Eine personalisierte Zukunft

Die laufende Epilepsie-Studie EPINOV hat über 350 Personen rekrutiert. Wissenschaftler werden ihre Ergebnisse ein Jahr lang verfolgen, um zu sehen, ob ein digitales Ersatzgehirn hilft, sie frei von Anfällen zu halten.

Trotz jahrzehntelanger Arbeit steckt die Nutzung virtueller Gehirnmodelle zur Behandlung von Erkrankungen noch in den Kinderschuhen. Zum einen ändern sich neuronale Verbindungen im Laufe der Zeit. Ein Modell eines Epilepsiepatienten ist nur eine Momentaufnahme und erfasst möglicherweise nicht seinen Gesundheitszustand nach der Behandlung oder anderen Lebensereignissen.

Aber das virtuelle Gehirn ist ein mächtiges Werkzeug. Über Epilepsie hinaus soll es Wissenschaftlern helfen, andere neurologische Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit oder Multiple Sklerose zu erforschen. Am Ende, sagte Jirsa, geht es um Zusammenarbeit.

„Computational Neuromedicine muss hochauflösende Gehirndaten und Patientenspezifität integrieren“, sagt er sagte. „Unser Ansatz stützt sich stark auf die Forschungstechnologien in EBRAINS und wäre nur in einem groß angelegten Gemeinschaftsprojekt wie dem Human Brain Project möglich gewesen.“

Bild-Kredit: KOMMER / Unsplash