جراحان کل مغز را شبیه سازی می کنند تا منبع تشنج بیماران خود را مشخص کنند.

یک دهه پیش، پروژه مغز انسان با هدف آسمان آبی راه اندازی شد: دیجیتالی کردن مغز انسان.

هدف ساختن یک مغز متوسط ​​از گروهی از افراد نبود. بلکه برای تکثیر بخش‌هایی از ارتباطات عصبی منحصربه‌فرد یک فرد در یک مغز مجازی شخصی‌سازی شده بود.

پیامدها بسیار زیاد بود: مغزهای شبیه‌سازی شده می‌توانند سرنخ‌های مهمی برای کمک به شکستن برخی از دردسرسازترین بیماری‌های عصبی ارائه دهند. به‌جای استفاده از مدل‌های حیوانی، آنها بهتر است مغز آلزایمر یا مغز افراد مبتلا به اوتیسم یا صرع را نشان دهند.

پروژه میلیارد یورویی بود در ابتدا با شک و تردید زیادی مواجه شد. با این حال، با پایان یافتن این پروژه در ماه گذشته، به نقطه عطفی دست یافت. در یک مطالعه این تیم‌ها نشان دادند که مدل‌های مغز مجازی افراد مبتلا به صرع می‌تواند به جراحان مغز و اعصاب کمک کند تا مناطق مغزی مسئول تشنج‌هایشان را بهتر شناسایی کنند.

هر مغز مجازی از یک مدل محاسباتی موسوم به Virtual Epileptic Patient (VEP) بهره می برد که از اسکن مغز افراد برای ایجاد دوقلوی دیجیتالی خود استفاده می کند. این تیم با دوز هوش مصنوعی، نحوه گسترش فعالیت تشنج در مغز را شبیه‌سازی کردند که تشخیص نقاط حساس را آسان‌تر می‌کند و مداخله جراحی را بهتر مورد هدف قرار می‌دهد. این روش در حال حاضر در حال آزمایش است کارآزمایی بالینی در حال انجام EPINOV نامیده می شود. اگر موفقیت آمیز باشد، این اولین روش شخصی سازی شده برای مدل سازی مغز خواهد بود که برای جراحی صرع استفاده می شود و می تواند راه را برای مقابله با سایر اختلالات عصبی هموار کند.

نتایج بخشی از میراث خواهد بود مغز مجازی (TVB)، یک پلت فرم محاسباتی برای دیجیتالی کردن ارتباطات عصبی شخصی شده. تشنج های شکار فقط شروع است. برای دکتر ویکتور جیرسا در دانشگاه اکس مارسی در فرانسه، که این تلاش را رهبری کرد، این شبیه‌سازی‌ها ممکن است نحوه تشخیص و درمان اختلالات عصبی را تغییر دهند.

واضح است: مدل‌ها کپی دقیق مغز انسان نیستند. هیچ مدرکی وجود ندارد که آنها به هیچ وجه "فکر" یا آگاه هستند. در عوض، آن‌ها شبکه‌های مغزی شخصی‌سازی شده را شبیه‌سازی می‌کنند - یعنی چگونه یک ناحیه مغز با دیگری صحبت می‌کند - بر اساس تصاویر سیم‌کشی آنها.

جیرسا و همکارانش «از آنجایی که شواهدی در حمایت از قدرت پیش‌بینی مدل‌های مغز مجازی شخصی‌سازی شده جمع‌آوری می‌شود، و با آزمایش روش‌ها در آزمایش‌های بالینی، مغزهای مجازی ممکن است در آینده نزدیک به عملکرد بالینی کمک کنند.» نوشت.

مغزهای بیولوژیکی تا دیجیتالی

اکنون پروژه های نقشه برداری مغز در مقیاس بزرگ به نظر می رسد بدیهی. از آنها که ارتباط بین مغز پستانداران را ترسیم می کند به آنهایی که الگوریتم های مغز را تقطیر می کنند سیم کشی عصبی، نقشه های مغز به اطلس های متعدد و مدل های سه بعدی برای هر کسی که می تواند کاوش کند.

فلاش بک به سال 2013. هوش مصنوعی برای رمزگشایی مغز فقط یک رویا بود – اما رویایی بود که قبلاً توسط یک استارت‌آپ ناقص که اکنون به نام DeepMind شناخته می‌شود دنبال شده بود. دانشمندان علوم اعصاب با موفقیت، اما در آزمایشگاه‌های مستقل، کدهای عصبی - الگوریتم‌های مغز را کشف کردند.

اگر این تلاش ها را با هم ترکیب کنیم چه؟

وارد پروژه مغز انسان (HBP) شوید. با بیش از 500 دانشمند در 140 دانشگاه و سایر مؤسسات تحقیقاتی، پروژه اتحادیه اروپا به یکی از اولین برنامه های بزرگ مقیاس - همراه با ایالات متحده تبدیل شد.  ابتکار مغز و ژاپن مغز/ذهن- تلاش برای حل معماهای مغز با ترسیم دیجیتالی ارتباطات پیچیده آن.

در هسته HBP یک پلت فرم دیجیتال به نام EBRAINS قرار دارد. آن را به عنوان یک میدان عمومی در نظر بگیرید، جایی که دانشمندان علوم اعصاب جمع می‌شوند و آشکارا داده‌های خود را برای همکاری با جامعه گسترده‌تر به اشتراک می‌گذارند. به نوبه خود، امید است که تلاش جهانی بتواند مدل های بهتری از عملکرد درونی مغز ایجاد کند.

چرا مراقبت؟ افکار، خاطرات و احساسات ما همگی در شبکه های عصبی مغز رمزگذاری شده اند. مانند نحوه ارائه نقشه‌های گوگل برای جاده‌های محلی در مورد الگوهای ترافیک، نقشه‌های مغزی می‌توانند ایده‌هایی را در مورد نحوه برقراری ارتباط عادی شبکه‌های عصبی - و زمانی که آنها خراب می‌شوند، ایجاد کند.

یک مثال: بیماری صرع.

دوقلو صرع مجازی

صرع تقریباً 50 میلیون نفر را در سراسر جهان تحت تأثیر قرار می دهد و در اثر فعالیت غیرطبیعی مغز ایجاد می شود. درمان های پزشکی وجود دارد. متأسفانه حدود یک سوم بیماران به داروهای ضد تشنج پاسخ نمی دهند و نیاز به جراحی دارند.

این یک رویه سخت است. به بیماران چندین الکترود برای شناسایی منبع تشنج (که منطقه صرع زا نامیده می شود) کاشته می شود. سپس یک جراح آن قسمت‌های مغز را جدا می‌کند، به این امید که طوفان‌های رعد و برق عصبی ناخواسته را خاموش کند و عوارض جانبی را به حداقل برساند.

این جراحی یک "تغییر بزرگ بازی" برای افراد مبتلا به صرع غیرقابل درمان است. گفت: دکتر آسوین چاری در دانشگاه کالج لندن که در این مطالعه شرکت نداشت. اما این روش تنها تقریباً 60 درصد موفقیت دارد، عمدتاً به این دلیل که تشخیص ناحیه صرع سخت است.

قبل از انجام جراحی، بیمار باید یک ارزیابی قبل از جراحی داشته باشد تا مشخص شود که آیا و چگونه درمان جراحی می‌تواند تشنج‌های او را بدون ایجاد نقص‌های عصبی متوقف کند یا خیر. گفت: جیرسا و همکاران.

روش فعلی بر تعداد بی شماری از اسکن مغز متکی است. برای مثال MRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی)، می‌تواند ساختارهای دقیق مغز را ترسیم کند. EEG (الکتروانسفالوگرافی) الگوهای الکتریکی مغز را با الکترودهای استراتژیک روی پوست سر ثبت می کند.

SEEG (استریو الکتروانسفالوگرافی) شکارچی بعدی تشنج است. در اینجا، حداکثر 16 الکترود مستقیماً در جمجمه قرار داده می شود تا نواحی مشکوک را تا دو هفته کنترل کنند. این روش، اگرچه قدرتمند است، اما بسیار عالی است. فعالیت الکتریکی مغز در فرکانس‌های مختلف "همه می‌زند". مانند یک جفت هدفون اصلی، SEEG فعالیت مغزی با فرکانس بالا را ثبت می کند اما «باس» را از دست می دهد - انحرافات فرکانس پایین که گاهی اوقات در تشنج دیده می شود.

در مطالعه جدید، تیم تمام این نتایج آزمایش را در مدل بیمار صرع مجازی ساخته شده بر روی پلت فرم مجازی مغز ادغام کرد. این با تصاویری از مغز هر بیمار از MRI ​​و CT اسکن شروع می شود - دومی بزرگراه های ماده سفید را که نواحی مغز را به هم متصل می کند ردیابی می کند. داده‌ها، هنگامی که با ضبط‌های SEEG ترکیب می‌شوند، در نقشه‌های شخصی‌شده با «گره‌ها» جمع می‌شوند - بخش‌هایی از مغز که به شدت با یکدیگر مرتبط هستند.

این نقشه های شخصی بخشی از روال غربالگری قبل از جراحی بدون هیچ تلاش یا استرس اضافی بر روی بیمار است.

با استفاده از شبیه‌سازی‌های مبتنی بر یادگیری ماشینی، تیم می‌تواند یک «دوقلو دیجیتال» بسازد که تقریباً ساختار، فعالیت و پویایی مغز یک فرد را تقلید می‌کند. در یک آزمایش گذشته نگر بر روی 53 فرد مبتلا به صرع، آنها از این مغزهای مجازی برای شکار ناحیه مغزی مسئول تشنج هر فرد با تحریک فعالیت تشنج مانند در مغز دیجیتال استفاده کردند. این تیم با آزمایش چندین جراحی مجازی، مناطقی را پیدا کردند که باید برای بهترین نتیجه حذف شوند.

در یک مثال، تیم یک مغز مجازی برای بیمار تولید کرد که 19 قسمت از مغزش را برداشتند تا از شر تشنج خلاص شود. با استفاده از جراحی شبیه سازی شده، نتایج مجازی با نتایج واقعی مطابقت داشت.

به طور کلی، شبیه سازی ها کل مغز را در بر می گیرد. آنها اطلس های شخصی سازی شده از 162 ناحیه مغز با وضوح حدود یک میلی متر مربع - تقریباً به اندازه یک دانه کوچک شن هستند. این تیم در حال حاضر در تلاش است تا وضوح را تا هزار برابر افزایش دهد.

آینده شخصی شده

آزمایش صرع در حال انجام EPINOV بیش از 350 نفر را استخدام کرده است. دانشمندان نتایج خود را به مدت یک سال پیگیری خواهند کرد تا ببینند آیا یک مغز جایگزین دیجیتال به آنها کمک می کند تا از تشنج خلاص شوند یا خیر.

با وجود یک دهه کار، استفاده از مدل‌های مغز مجازی برای درمان اختلالات هنوز روزهای اولیه است. یکی، اتصالات عصبی در طول زمان تغییر می کند. مدل یک بیمار صرعی فقط یک عکس فوری در زمان است و ممکن است وضعیت سلامتی آنها را پس از درمان یا سایر رویدادهای زندگی نشان ندهد.

اما مغز مجازی ابزار قدرتمندی است. علاوه بر صرع، قرار است به دانشمندان در کشف سایر اختلالات عصبی مانند بیماری پارکینسون یا مولتیپل اسکلروزیس کمک کند. در پایان، جیرسا گفت، همه چیز در مورد همکاری است.

او می‌گوید: «عصب‌پزشکی محاسباتی باید داده‌های مغزی با وضوح بالا و ویژگی‌های بیمار را ادغام کند گفت:. رویکرد ما به شدت به فناوری‌های تحقیقاتی در EBRAINS متکی است و تنها می‌توانست در پروژه‌ای در مقیاس بزرگ و مشترک مانند پروژه مغز انسان امکان‌پذیر باشد.

تصویر های اعتباری: KOMMERS / می Unsplash 

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/