Los cirujanos están simulando cerebros completos para precisar el origen de las convulsiones de sus pacientes

Hace una década, Human Brain Project se lanzó con un objetivo de cielo azul: digitalizar un cerebro humano.

El objetivo no era construir un cerebro promedio a partir de grupos de personas. Más bien, se trataba de replicar partes de las conexiones neuronales únicas de una persona en un cerebro gemelo virtual personalizado.

Las implicaciones fueron enormes: los cerebros simulados podrían proporcionar pistas cruciales para ayudar a resolver algunas de las enfermedades neurológicas más preocupantes. En lugar de usar modelos animales, podrían representar mejor un cerebro con Alzheimer o uno de personas con autismo o epilepsia.

El proyecto de mil millones de euros fue posiblemente recibido con mucho escepticismo. Sin embargo, cuando el proyecto concluyó el mes pasado, logró un hito. En un estudio publicado este enero, los equipos demostraron que los modelos cerebrales virtuales de personas con epilepsia pueden ayudar a los neurocirujanos a buscar mejor las regiones del cerebro responsables de sus convulsiones.

Cada cerebro virtual aprovechó un modelo computacional denominado Paciente epiléptico virtual (VEP), que utiliza los escáneres cerebrales de una persona para crear su gemelo digital. Con una dosis de IA, el equipo simuló cómo la actividad de las convulsiones se propaga por el cerebro, lo que facilita la detección de puntos críticos y la intervención quirúrgica. El método se está probando ahora en un ensayo clínico en curso llamado EPINOV. Si tiene éxito, será el primer método de modelado cerebral personalizado utilizado para la cirugía de la epilepsia y podría allanar el camino para abordar otros trastornos neurológicos.

Los resultados serán parte del legado de el cerebro virtual (TVB), una plataforma computacional para digitalizar conexiones neuronales personalizadas. La caza de convulsiones es solo el comienzo. Para el Dr. Viktor Jirsa de la Universidad de Aix-Marseille en Francia, quien dirigió el esfuerzo, estas simulaciones pueden transformar la forma en que diagnosticamos y tratamos los trastornos neurológicos.

Para ser claros: los modelos no son réplicas exactas de un cerebro humano. No hay evidencia de que estén "pensando" o conscientes de ninguna manera. Más bien, simulan redes cerebrales personalizadas, es decir, cómo una región del cerebro "habla" con otra, en función de las imágenes de su cableado.

“A medida que se acumule evidencia que respalde el poder predictivo de los modelos de cerebro virtual personalizados, y que los métodos se prueben en ensayos clínicos, los cerebros virtuales podrían informar la práctica clínica en el futuro cercano”, dijo Jirsa y sus colegas. escribí.

Cerebros biológicos a digitales

Los proyectos de mapeo cerebral a gran escala ahora parecen trivial. De aquellos que mapean las conexiones a través del cerebro de un mamífero a los que destilan los algoritmos del cerebro de cableado neuronal, los mapas cerebrales se han convertido en múltiples atlas y Modelos 3D para que cualquiera los explore.

Flashback a 2013. La IA para descifrar el cerebro era solo un sueño, pero uno ya perseguido por una empresa emergente ahora conocida como DeepMind. Los neurocientíficos buscaban el código neuronal, los algoritmos del cerebro, con éxito, pero en laboratorios independientes.

¿Y si unimos esos esfuerzos?

Entra en el Proyecto Cerebro Humano (HBP). Con más de 500 científicos en 140 universidades y otras instituciones de investigación, el proyecto de la Unión Europea se convirtió en uno de los primeros programas a gran escala, junto con el de EE.  Iniciativa BRAIN y Japón cerebro/mentes—intentar resolver los misterios del cerebro mapeando digitalmente sus intrincadas conexiones.

En el núcleo de HBP se encuentra una plataforma digital denominada EBRAINS. Piense en ello como una plaza pública, donde los neurocientíficos se reúnen y comparten abiertamente sus datos para colaborar con una comunidad más amplia. A su vez, se espera que el esfuerzo global pueda generar mejores modelos del funcionamiento interno del cerebro.

¿Por qué cuidar? Nuestros pensamientos, recuerdos y emociones están todos codificados en las redes neuronales del cerebro. Al igual que Google Maps para carreteras locales brinda información sobre los patrones de tráfico, los mapas cerebrales pueden generar ideas sobre cómo se comunican normalmente las redes neuronales y cuándo fallan.

Un ejemplo: Epilepsia.

El gemelo virtual de la epilepsia

La epilepsia afecta aproximadamente a 50 millones de personas en todo el mundo y se desencadena por una actividad cerebral anormal. Hay tratamientos médicos. Desafortunadamente, alrededor de un tercio de los pacientes no responden a los medicamentos anticonvulsivos y necesitan cirugía.

Es un procedimiento duro. A los pacientes se les implantan múltiples electrodos para buscar la fuente de las convulsiones (llamada zona epileptogénica). Luego, un cirujano corta esas partes del cerebro con la esperanza de silenciar las tormentas eléctricas neuronales no deseadas y minimizar los efectos secundarios.

La cirugía es un "gran cambio de juego" para las personas con epilepsia intratable, dijo Dr. Aswin Chari del University College London, que no participó en el estudio. Pero el procedimiento solo tiene una tasa de éxito de aproximadamente el 60 por ciento, en gran parte porque la zona epileptogénica es difícil de identificar.

“Antes de que pueda llevarse a cabo la cirugía, el paciente debe someterse a una evaluación prequirúrgica para establecer si el tratamiento quirúrgico podría detener las convulsiones sin causar déficits neurológicos y cómo lo haría”. dijo Jirsa y colegas.

El método actual se basa en una miríada de escáneres cerebrales. La MRI (imágenes por resonancia magnética), por ejemplo, puede mapear estructuras detalladas del cerebro. EEG (electroencefalografía) captura los patrones eléctricos del cerebro con electrodos colocados estratégicamente sobre el cuero cabelludo.

SEEG (estereoelectroencefalografía) es el próximo cazador de convulsiones. Aquí, se colocan hasta 16 electrodos directamente en el cráneo para monitorear áreas sospechosas por hasta dos semanas. El método, aunque poderoso, está lejos de ser perfecto. La actividad eléctrica del cerebro “tararea” a diferentes frecuencias. Al igual que un par de auriculares básicos, SEEG captura la actividad cerebral de alta frecuencia pero pierde los "bajos": aberraciones de baja frecuencia que a veces se ven en las convulsiones.

En el nuevo estudio, el equipo integró todos los resultados de estas pruebas en el modelo de paciente epiléptico virtual creado en la plataforma Virtual Brain. Comienza con imágenes del cerebro de cada paciente de resonancias magnéticas y tomografías computarizadas; estas últimas rastrean las autopistas de materia blanca que conectan las regiones del cerebro. Los datos, cuando se combinan con las grabaciones de SEEG, se acumulan en mapas personalizados con "nodos", partes del cerebro que están muy conectadas entre sí.

Estos mapas personalizados pasan a formar parte de la rutina de cribado prequirúrgico, sin esfuerzo ni estrés extra para el paciente.

Usando simulaciones basadas en aprendizaje automático, el equipo puede construir un "gemelo digital" que imita aproximadamente la estructura, la actividad y la dinámica del cerebro de una persona. En una prueba retrospectiva de 53 personas con epilepsia, usaron estos cerebros virtuales para buscar la región del cerebro responsable de las convulsiones de cada persona al desencadenar una actividad similar a las convulsiones en los cerebros digitales. Al probar múltiples cirugías virtuales, el equipo encontró regiones para eliminar para obtener el mejor resultado.

En un ejemplo, el equipo generó un cerebro virtual para un paciente al que le extirparon 19 partes del cerebro para librarlo de sus convulsiones. Usando cirugía simulada, los resultados virtuales coincidieron con el resultado de los reales.

En general, las simulaciones abarcan todo el cerebro. Son atlas personalizados de 162 regiones del cerebro con una resolución de alrededor de un milímetro cuadrado, aproximadamente del tamaño de un pequeño grano de arena. El equipo ya está trabajando para aumentar la resolución en mil veces.

Un futuro personalizado

El ensayo de epilepsia en curso EPINOV ha reclutado a más de 350 personas. Los científicos harán un seguimiento de sus resultados durante un año para ver si un cerebro sustituto digital ayuda a mantenerlos libres de convulsiones.

A pesar de una década de trabajo, aún es pronto para usar modelos cerebrales virtuales para tratar trastornos. Por un lado, las conexiones neuronales cambian con el tiempo. Un modelo de un paciente con epilepsia es solo una instantánea en el tiempo y es posible que no capture su estado de salud después del tratamiento u otros eventos de la vida.

Pero el cerebro virtual es una herramienta poderosa. Más allá de la epilepsia, está configurado para ayudar a los científicos a explorar otros trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson o la esclerosis múltiple. Al final, dijo Jirsa, todo se trata de colaboración.

“La neuromedicina computacional necesita integrar datos cerebrales de alta resolución y la especificidad del paciente”, dijo. dijo. “Nuestro enfoque se basa en gran medida en las tecnologías de investigación de EBRAINS y solo podría haber sido posible en un proyecto colaborativo a gran escala como el Human Brain Project”.

Crédito de la imagen: KOMMERS / Unsplash 

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• Fuente: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/