Οι χειρουργοί προσομοιώνουν ολόκληρους εγκεφάλους για να εντοπίσουν την πηγή των επιληπτικών κρίσεων των ασθενών τους

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Οι χειρούργοι προσομοιώνουν ολόκληρους εγκεφάλους για να εντοπίσουν την πηγή των επιληπτικών κρίσεων των ασθενών τους Η νοημοσύνη δεδομένων PlatoBlockchain. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Πριν από μια δεκαετία, το Human Brain Project ξεκίνησε με στόχο τον γαλάζιο ουρανό: την ψηφιοποίηση ενός ανθρώπινου εγκεφάλου.

Ο στόχος δεν ήταν η κατασκευή ενός μέσου εγκεφάλου από ομάδες ανθρώπων. Μάλλον, επρόκειτο να αναπαραχθούν τμήματα των μοναδικών νευρωνικών συνδέσεων ενός ατόμου σε ένα εξατομικευμένο εικονικό δίδυμο εγκεφάλου.

Οι συνέπειες ήταν τεράστιες: οι προσομοιωμένοι εγκέφαλοι θα μπορούσαν να παρέχουν κρίσιμες ενδείξεις για να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση ορισμένων από τις πιο ανησυχητικές νευρολογικές ασθένειες. Αντί να χρησιμοποιούν ζωικά μοντέλα, ίσως αντιπροσωπεύουν καλύτερα τον εγκέφαλο ενός Αλτσχάιμερ ή έναν εγκέφαλο από άτομα με αυτισμό ή επιληψία.

Το έργο των δισεκατομμυρίων ευρώ ήταν αρχικά συνάντησε πολύ σκεπτικισμό. Ωστόσο, καθώς το έργο ολοκληρώθηκε τον περασμένο μήνα, πέτυχε ένα ορόσημο. Σε μια μελέτη Δημοσιεύτηκαν τον Ιανουάριο, οι ομάδες έδειξαν ότι εικονικά μοντέλα εγκεφάλου ατόμων με επιληψία μπορούν να βοηθήσουν τους νευροχειρουργούς να κυνηγήσουν καλύτερα τις περιοχές του εγκεφάλου που ευθύνονται για τις κρίσεις τους.

Κάθε εικονικός εγκέφαλος χρησιμοποιήθηκε σε ένα υπολογιστικό μοντέλο που ονομάστηκε Virtual Epileptic Patient (VEP), το οποίο χρησιμοποιεί τις σαρώσεις εγκεφάλου ενός ατόμου για να δημιουργήσει το ψηφιακό δίδυμο του. Με μια δόση τεχνητής νοημοσύνης, η ομάδα προσομοίωσε τον τρόπο με τον οποίο η δραστηριότητα των επιληπτικών κρίσεων εξαπλώνεται στον εγκέφαλο, καθιστώντας ευκολότερο τον εντοπισμό των hotspot και την καλύτερη στόχευση της χειρουργικής επέμβασης. Η μέθοδος δοκιμάζεται τώρα σε ένα σε εξέλιξη κλινική δοκιμή που λέγεται ΕΠΙΝΟΒ. Εάν πετύχει, θα είναι η πρώτη εξατομικευμένη μέθοδος μοντελοποίησης εγκεφάλου που χρησιμοποιείται για χειρουργική επέμβαση επιληψίας και θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την αντιμετώπιση άλλων νευρολογικών διαταραχών.

Τα αποτελέσματα θα είναι μέρος της κληρονομιάς του τον εικονικό εγκέφαλο (TVB), μια υπολογιστική πλατφόρμα για την ψηφιοποίηση εξατομικευμένων νευρωνικών συνδέσεων. Οι κυνηγετικές κατασχέσεις είναι μόνο η αρχή. Για τον Δρ Viktor Jirsa στο Πανεπιστήμιο Aix-Marseille στη Γαλλία, ο οποίος ηγήθηκε της προσπάθειας, αυτές οι προσομοιώσεις μπορεί να μεταμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο διαγιγνώσκουμε και θεραπεύουμε τις νευρολογικές διαταραχές.

Για να είμαστε σαφείς: τα μοντέλα δεν είναι ακριβή αντίγραφα ενός ανθρώπινου εγκεφάλου. Δεν υπάρχει καμία απόδειξη ότι «σκέφτονται» ή συνειδητοποιούν με οποιονδήποτε τρόπο. Μάλλον, προσομοιώνουν εξατομικευμένα δίκτυα εγκεφάλου -δηλαδή, πώς μια περιοχή του εγκεφάλου «μιλάει» με μια άλλη- με βάση τις εικόνες της καλωδίωσης τους.

«Καθώς συσσωρεύονται στοιχεία που υποστηρίζουν την προγνωστική δύναμη των εξατομικευμένων εικονικών μοντέλων εγκεφάλου και καθώς οι μέθοδοι δοκιμάζονται σε κλινικές δοκιμές, οι εικονικοί εγκέφαλοι ενδέχεται να ενημερώσουν την κλινική πρακτική στο εγγύς μέλλον», ο Jirsa και οι συνεργάτες του Έγραψε.

Βιολογικοί σε ψηφιακοί εγκέφαλοι

Φαίνονται τώρα έργα χαρτογράφησης εγκεφάλου μεγάλης κλίμακας ασήμαντος. Από αυτά που χαρτογραφεί τις συνδέσεις σε έναν εγκέφαλο θηλαστικού σε αυτά που αποστάζουν τους αλγόριθμους του εγκεφάλου από νευρωνική καλωδίωση, οι εγκεφαλικοί χάρτες έχουν εξελιχθεί σε πολλαπλούς άτλαντες και Τρισδιάστατα μοντέλα που μπορούν να εξερευνήσουν όλοι.

Αναδρομή στο 2013. Η τεχνητή νοημοσύνη για την αποκρυπτογράφηση του εγκεφάλου ήταν απλώς ένα όνειρο — αλλά ένα όνειρο που ήδη καταδιώκεται από μια άχρηστη startup γνωστή πλέον ως DeepMind. Οι νευροεπιστήμονες κυνηγούσαν τον νευρωνικό κώδικα - τους αλγόριθμους του εγκεφάλου - με επιτυχία, αλλά σε ανεξάρτητα εργαστήρια.

Τι θα γινόταν αν συνδυάζαμε αυτές τις προσπάθειες;

Μπείτε στο Human Brain Project (HBP). Με περισσότερους από 500 επιστήμονες σε 140 πανεπιστήμια και άλλα ερευνητικά ιδρύματα, το έργο της Ευρωπαϊκής Ένωσης έγινε ένα από τα πρώτα προγράμματα μεγάλης κλίμακας—μαζί με το πρόγραμμα των Η.Π.Α. Πρωτοβουλία εγκεφάλου και της Ιαπωνίας Εγκέφαλος/ΜΥΑΛΟΣ—να προσπαθήσει να λύσει τα μυστήρια του εγκεφάλου χαρτογραφώντας ψηφιακά τις περίπλοκες συνδέσεις του.

Στον πυρήνα της HBP βρίσκεται μια ψηφιακή πλατφόρμα που ονομάζεται EBRAINS. Σκεφτείτε το ως μια δημόσια πλατεία, όπου συγκεντρώνονται νευροεπιστήμονες και μοιράζονται ανοιχτά τα δεδομένα τους για να συνεργαστούν με μια ευρύτερη κοινότητα. Με τη σειρά του, ελπίζεται ότι η παγκόσμια προσπάθεια μπορεί να δημιουργήσει καλύτερα μοντέλα της εσωτερικής λειτουργίας του εγκεφάλου.

Γιατί να νοιάζεσαι; Οι σκέψεις, οι αναμνήσεις και τα συναισθήματά μας είναι όλα κωδικοποιημένα στα νευρωνικά δίκτυα του εγκεφάλου. Όπως ο τρόπος με τον οποίο οι Χάρτες Google για τοπικούς δρόμους δίνουν πληροφορίες για τα μοτίβα κυκλοφορίας, οι χάρτες εγκεφάλου μπορούν να πυροδοτήσουν ιδέες για το πώς επικοινωνούν συνήθως τα νευρωνικά δίκτυα — και πότε στραβώνουν.

Ένα παράδειγμα: Επιληψία.

Το Virtual Epilepsy Twin

Η επιληψία επηρεάζει περίπου 50 εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως και προκαλείται από μη φυσιολογική εγκεφαλική δραστηριότητα. Υπάρχουν ιατρικές θεραπείες. Δυστυχώς, περίπου το ένα τρίτο των ασθενών δεν ανταποκρίνονται στα αντισπασμωδικά φάρμακα και χρειάζονται χειρουργική επέμβαση.

Είναι μια σκληρή διαδικασία. Στους ασθενείς εμφυτεύονται πολλαπλά ηλεκτρόδια για να εντοπίσουν την πηγή των κρίσεων (που ονομάζεται επιληπτογόνος ζώνη). Στη συνέχεια, ένας χειρουργός αφαιρεί αυτά τα μέρη του εγκεφάλου, ελπίζοντας να αποσιωπήσει τις ανεπιθύμητες νευρικές καταιγίδες και να ελαχιστοποιήσει τις παρενέργειες.

Η χειρουργική επέμβαση είναι μια «τεράστια αλλαγή παιχνιδιού» για άτομα με μη θεραπεύσιμη επιληψία, είπε Ο Δρ Aswin Chari στο University College του Λονδίνου, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Αλλά η διαδικασία έχει μόνο ένα ποσοστό επιτυχίας περίπου 60 τοις εκατό, κυρίως επειδή η επιληπτογόνος ζώνη είναι δύσκολο να εντοπιστεί.

«Προτού πραγματοποιηθεί η χειρουργική επέμβαση, ο ασθενής πρέπει να υποβληθεί σε προεγχειρητική αξιολόγηση για να διαπιστωθεί εάν και πώς η χειρουργική θεραπεία θα μπορούσε να σταματήσει τις κρίσεις του χωρίς να προκαλέσει νευρολογικά ελλείμματα». είπε Jirsa και συνεργάτες.

Η τρέχουσα μέθοδος βασίζεται σε μυριάδες σαρώσεις εγκεφάλου. Η μαγνητική τομογραφία (μαγνητική τομογραφία), για παράδειγμα, μπορεί να χαρτογραφήσει λεπτομερείς δομές του εγκεφάλου. Το ΗΕΓ (ηλεκτροεγκεφαλογραφία) καταγράφει τα ηλεκτρικά μοτίβα του εγκεφάλου με στρατηγικά τοποθετημένα ηλεκτρόδια πάνω από το τριχωτό της κεφαλής.

Το SEEG (στερεοηλεκτροεγκεφαλογραφία) είναι ο επόμενος κυνηγός επιληπτικών κρίσεων. Εδώ, έως και 16 ηλεκτρόδια τοποθετούνται απευθείας στο κρανίο για να παρακολουθούν ύποπτες περιοχές για έως και δύο εβδομάδες. Η μέθοδος, αν και ισχυρή, απέχει πολύ από το να είναι τέλεια. Η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου «βουίζει» σε διαφορετικές συχνότητες. Όπως ένα ζευγάρι βασικών ακουστικών, το SEEG καταγράφει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου υψηλής συχνότητας, αλλά χάνει το "μπάσο" - εκτροπές χαμηλής συχνότητας που παρατηρούνται μερικές φορές σε επιληπτικές κρίσεις.

Στη νέα μελέτη, η ομάδα ενσωμάτωσε όλα αυτά τα αποτελέσματα των δοκιμών στο μοντέλο Virtual Epileptic Patient που χτίστηκε στην πλατφόρμα Virtual Brain. Ξεκινά με εικόνες του εγκεφάλου κάθε ασθενούς από μαγνητικές τομογραφίες και αξονικές τομογραφίες - οι τελευταίες εντοπίζουν τους αυτοκινητόδρομους λευκής ουσίας που συνδέουν τις περιοχές του εγκεφάλου. Τα δεδομένα, όταν συνδυάζονται με εγγραφές SEEG, συγκεντρώνονται σε εξατομικευμένους χάρτες με «κόμβους»—τμήματα του εγκεφάλου που συνδέονται σε μεγάλο βαθμό μεταξύ τους.

Αυτοί οι εξατομικευμένοι χάρτες γίνονται μέρος της ρουτίνας προεγχειρητικού προσυμπτωματικού ελέγχου, χωρίς επιπλέον προσπάθεια ή άγχος στον ασθενή.

Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις που βασίζονται στη μηχανική μάθηση, η ομάδα μπορεί να δημιουργήσει ένα «ψηφιακό δίδυμο» που μιμείται κατά προσέγγιση τη δομή του εγκεφάλου, τη δραστηριότητα και τη δυναμική ενός ατόμου. Σε μια αναδρομική δοκιμή 53 ατόμων με επιληψία, χρησιμοποίησαν αυτούς τους εικονικούς εγκεφάλους για να κυνηγήσουν την περιοχή του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνη για τις κρίσεις κάθε ατόμου, πυροδοτώντας δραστηριότητα παρόμοια με τις κρίσεις στον ψηφιακό εγκέφαλο. Δοκιμάζοντας πολλαπλές εικονικές χειρουργικές επεμβάσεις, η ομάδα βρήκε περιοχές που έπρεπε να αφαιρέσει για το καλύτερο αποτέλεσμα.

Σε ένα παράδειγμα, η ομάδα δημιούργησε έναν εικονικό εγκέφαλο για έναν ασθενή στον οποίο αφαιρέθηκαν 19 μέρη του εγκεφάλου του για να απαλλαγεί από τις κρίσεις του. Χρησιμοποιώντας προσομοιωμένη χειρουργική επέμβαση, τα εικονικά αποτελέσματα ταίριαξαν με το αποτέλεσμα των πραγματικών.

Συνολικά, οι προσομοιώσεις καλύπτουν ολόκληρο τον εγκέφαλο. Είναι εξατομικευμένοι άτλαντες 162 περιοχών του εγκεφάλου με ανάλυση περίπου ενός τετραγωνικού χιλιοστού - περίπου στο μέγεθος ενός μικρού κόκκου άμμου. Η ομάδα εργάζεται ήδη για να αυξήσει την ανάλυση κατά χίλιες φορές.

Ένα Εξατομικευμένο Μέλλον

Η εν εξελίξει δοκιμή επιληψίας EPINOV έχει προσλάβει περισσότερα από 350 άτομα. Οι επιστήμονες θα παρακολουθήσουν τα αποτελέσματά τους για ένα χρόνο για να δουν εάν ένας ψηφιακός υποκατάστατος εγκέφαλος τους βοηθά να τους κρατήσει απαλλαγμένους από επιληπτικές κρίσεις.

Παρά μια δεκαετία εργασίας, είναι ακόμη νωρίς για τη χρήση εικονικών μοντέλων εγκεφάλου για τη θεραπεία διαταραχών. Πρώτον, οι νευρικές συνδέσεις αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Ένα μοντέλο ενός ασθενούς με επιληψία είναι απλώς ένα στιγμιότυπο στο χρόνο και μπορεί να μην αποτυπώσει την κατάσταση της υγείας του μετά από θεραπεία ή άλλα συμβάντα ζωής.

Αλλά ο εικονικός εγκέφαλος είναι ένα ισχυρό εργαλείο. Πέρα από την επιληψία, πρόκειται να βοηθήσει τους επιστήμονες να εξερευνήσουν άλλες νευρολογικές διαταραχές, όπως η νόσος του Πάρκινσον ή η σκλήρυνση κατά πλάκας. Τελικά, είπε ο Jirsa, όλα είναι θέμα συνεργασίας.

«Η υπολογιστική νευροϊατρική πρέπει να ενσωματώνει δεδομένα εγκεφάλου υψηλής ανάλυσης και την ειδικότητα του ασθενούς», είπε είπε. «Η προσέγγισή μας βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στις ερευνητικές τεχνολογίες στο EBRAINS και θα μπορούσε να ήταν δυνατή μόνο σε ένα μεγάλης κλίμακας, συνεργατικό έργο όπως το Human Brain Project».

Image Credit: ΚΟΜΜΕΡ / Unsplash