Kirurgid simuleerivad tervet aju, et tuvastada oma patsientide krambihoogude allikas

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Kirurgid simuleerivad tervet aju, et tuvastada oma patsientide krambihoogude allikas PlatoBlockchain andmeanalüüs. Vertikaalne otsing. Ai.

Kümmekond aastat tagasi käivitati inimaju projekt sinise taeva eesmärgiga: inimese aju digitaliseerimine.

Eesmärk ei olnud konstrueerida inimrühmadest keskmist aju. Pigem oli see inimese ainulaadsete närviühenduste osade kopeerimine isikupärastatud virtuaalses ajukaksikus.

Selle tagajärjed olid tohutud: simuleeritud ajud võivad anda olulisi vihjeid, et aidata lahti saada kõige murettekitavamatest neuroloogilistest haigustest. Loommudelite kasutamise asemel võivad need paremini esindada Alzheimeri tõve või autismi või epilepsiaga inimeste aju.

Miljardi euro projekt oli esialgu kohtas palju skeptitsismi. Kuid kui projekt eelmisel kuul lõppes, saavutas see verstaposti. Uuringus jaanuaril avaldatud töörühmad näitasid, et epilepsiaga inimeste virtuaalsed ajumudelid võivad aidata neurokirurgidel paremini jahtida nende krambihoogude eest vastutavaid ajupiirkondi.

Iga virtuaalne aju kasutas arvutuslikku mudelit, mille nimeks on Virtual Epileptic Patient (VEP), mis kasutab digitaalse kaksiku loomiseks inimese aju skaneeringuid. Tehisintellekti annusega simuleeris meeskond, kuidas krambihoogude aktiivsus ajus levib, muutes levialade tuvastamise ja kirurgilise sekkumise parema sihtmärgi. Meetodit testitakse praegu asutuses käimasolev kliiniline uuring nimega EPINOV. Kui see õnnestub, on see esimene isikupärastatud aju modelleerimise meetod, mida kasutatakse epilepsiaoperatsioonide jaoks ja mis võib sillutada teed muude neuroloogiliste häiretega võitlemiseks.

Tulemused on osa pärandist virtuaalne aju (TVB), arvutusplatvorm isikupärastatud närviühenduste digiteerimiseks. Jahihoogud on alles algus. Dr Viktor Jirsa Prantsusmaal Aix-Marseille ülikoolist, kes juhtis jõupingutusi, võib öelda, et need simulatsioonid võivad muuta seda, kuidas me neuroloogilisi häireid diagnoosime ja ravime.

Selguse huvides: mudelid ei ole inimaju täpsed koopiad. Puuduvad tõendid selle kohta, et nad mingil viisil "mõtlevad" või on teadlikud. Pigem simuleerivad nad isikupärastatud ajuvõrke, st seda, kuidas üks ajupiirkond "vestleb" teisega, tuginedes nende juhtmestiku kujutistele.

"Kuna koguneb tõendeid isikupärastatud virtuaalsete ajumudelite ennustusvõime toetuseks ja kuna meetodeid testitakse kliinilistes uuringutes, võivad virtuaalsed ajud lähitulevikus kliinilist praktikat teavitada," ütles Jirsa ja tema kolleegid. kirjutas.

Bioloogiline kuni digitaalne aju

Nüüd näivad suuremahulised aju kaardistamise projektid triviaalne. Nendest mis kaardistavad ühendusi imetajate ajus neile, mis destilleerivad aju algoritme närvijuhtmestik, ajukaardid on kasvanud mitmeks atlaseks ja 3D-mudelid, mida igaüks saab uurida.

Tagasivaade aastasse 2013. Aju dešifreerimiseks mõeldud tehisintellekt oli vaid unistus, kuid seda on juba püüdnud üks äge idufirma, mida praegu tuntakse DeepMind nime all. Neuroteadlased jahtisid edukalt närvikoodi – aju algoritme –, kuid sõltumatutes laborites.

Mis siis, kui me ühendaksime need jõupingutused?

Sisestage Human Brain Project (HBP). Rohkem kui 500 teadlasega 140 ülikoolist ja muust teadusasutusest sai Euroopa Liidu projektist üks esimesi suuremahulisi programme – koos USA BRAIN algatus ja Jaapani omad Aju/MEEL- püüda lahendada aju saladusi, kaardistades digitaalselt selle keerulisi ühendusi.

HBP tuumaks on digitaalne platvorm nimega EBRAINS. Mõelge sellele kui avalikule väljakule, kus neuroteadlased koguvad ja jagavad avalikult oma andmeid, et teha koostööd laiema kogukonnaga. Omakorda loodetakse, et globaalsed jõupingutused võivad luua paremaid mudeleid aju sisemise töö kohta.

Miks hoolida? Meie mõtted, mälestused ja emotsioonid on kõik kodeeritud aju närvivõrkudesse. Sarnaselt sellele, kuidas Google Maps kohalikele teedele annab ülevaate liiklusmustritest, võivad ajukaardid tekitada ideid selle kohta, kuidas närvivõrgud tavaliselt suhtlevad ja millal need viltu lähevad.

Üks näide: Epilepsia.

Virtuaalne epilepsiakaksik

Epilepsia mõjutab ligikaudu 50 miljonit inimest kogu maailmas ja selle vallandab ebanormaalne ajutegevus. On olemas meditsiinilised ravimeetodid. Kahjuks ei allu ligikaudu kolmandik patsientidest krambivastastele ravimitele ja vajavad operatsiooni.

See on raske protseduur. Patsientidele implanteeritakse mitu elektroodi, et leida krambihoogude allikas (mida nimetatakse epileptogeenseks tsooniks). Seejärel lõikab kirurg need ajuosad ära, lootes vaigistada soovimatud närvivälgutormid ja minimeerida kõrvalmõjusid.

Operatsioon on "tohutu mängumuutus" inimestele, kellel on ravimatu epilepsia, ütles Dr Aswin Chari Londoni ülikooli kolledžist, kes ei osalenud uuringus. Kuid protseduuri edukuse määr on vaid ligikaudu 60 protsenti, peamiselt seetõttu, et epileptogeenset tsooni on raske täpselt kindlaks teha.

"Enne operatsiooni saab teha, peab patsient läbima operatsioonieelse hinnangu, et teha kindlaks, kas ja kuidas võib kirurgiline ravi peatada nende krambid ilma neuroloogilisi puudujääke põhjustamata." ütles Jirsa ja kolleegid.

Praegune meetod põhineb lugematul hulgal ajuskaneeringutel. MRI (magnetresonantstomograafia) võib näiteks kaardistada aju üksikasjalikke struktuure. EEG (elektroentsefalograafia) fikseerib peanaha kohale strateegiliselt paigutatud elektroodidega aju elektrilised mustrid.

SEEG (stereoelektroentsefalograafia) on järgmine krambikütt. Siin asetatakse kuni 16 elektroodi otse koljusse, et jälgida kahtlasi piirkondi kuni kahe nädala jooksul. Kuigi meetod on võimas, pole kaugeltki täiuslik. Aju elektriline aktiivsus "sumiseb" erinevatel sagedustel. Sarnaselt tavaliste kõrvaklappide paariga jäädvustab SEEG kõrgsageduslikku ajutegevust, kuid jätab vahele "bassi" – madalsageduslikud aberratsioonid, mida mõnikord krambihoogude korral nähakse.

Uues uuringus integreeris meeskond kõik need testitulemused Virtual Brain platvormile ehitatud virtuaalse epilepsia patsiendi mudelisse. See algab iga patsiendi aju piltidega MRI- ja CT-skaneeringutest – viimased jälgivad ajupiirkondi ühendavaid valgeaine kiirteid. Andmed kombineeritakse SEEG-salvestistega isikupärastatud kaartideks, millel on "sõlmed" - aju osad, mis on üksteisega tihedalt seotud.

Need isikupärastatud kaardid muutuvad osaks operatsioonieelsest sõeluuringust, ilma patsiendile lisapingutusi või stressita.

Masinõppepõhiste simulatsioonide abil saab meeskond luua "digitaalse kaksiku", mis jäljendab ligikaudu inimese aju struktuuri, aktiivsust ja dünaamikat. Retrospektiivses testis, milles osales 53 epilepsiahaiget, kasutasid nad neid virtuaalseid ajusid, et otsida üles iga inimese krambihoogude eest vastutav ajupiirkond, käivitades digitaalajus krambitaolise tegevuse. Testides mitut virtuaalset operatsiooni, leidis meeskond piirkonnad, mida parima tulemuse saavutamiseks eemaldada.

Ühes näites genereeris meeskond virtuaalse aju patsiendile, kellelt eemaldati 19 ajuosa, et vabastada ta krambihoogudest. Simuleeritud operatsiooni kasutades ühtisid virtuaalsed tulemused tegelike tulemustega.

Üldiselt hõlmavad simulatsioonid kogu aju. Need on 162 ajupiirkonna isikupärastatud atlased, mille eraldusvõime on umbes üks ruutmillimeeter – umbes väikese liivatera suurune. Meeskond töötab juba selle nimel, et eraldusvõimet tuhat korda suurendada.

Isikupärastatud tulevik

Käimasolev epilepsia uuring EPINOV on värvanud üle 350 inimese. Teadlased jälgivad oma tulemusi aasta jooksul, et näha, kas digitaalne asendusaju aitab neil krambihoogudest vabaneda.

Vaatamata kümnendi pikkusele tööle on häirete ravis virtuaalsete ajumudelite kasutamine alles algusaeg. Esiteks muutuvad närviühendused aja jooksul. Epilepsiahaige mudel on vaid hetkepilt ajas ja ei pruugi jäädvustada tema tervislikku seisundit pärast ravi või muid elusündmusi.

Kuid virtuaalne aju on võimas tööriist. Lisaks epilepsiale aitab see teadlastel uurida muid neuroloogilisi häireid, nagu Parkinsoni tõbi või hulgiskleroos. Lõpuks ütles Jirsa, et kõik on seotud koostööga.

"Arvutuslik neuromeditsiin peab integreerima kõrge eraldusvõimega ajuandmed ja patsiendi spetsiifilisuse," ta ütles. "Meie lähenemisviis tugineb suuresti EBRAINSi uurimistehnoloogiatele ja oleks saanud võimalikuks ainult suuremahulise koostööprojektina, nagu Human Brain Project."

Image Credit: KOMMERS / Unsplash