Kirurgit simuloivat kokonaisia aivoja selvittääkseen potilaidensa kohtausten lähteen

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Kirurgit simuloivat kokonaisia aivoja selvittääkseen potilaiden kohtausten lähteen PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Kymmenen vuotta sitten käynnistettiin Human Brain Project, jonka tavoitteena oli sininen taivas: ihmisaivojen digitalisointi.

Tavoitteena ei ollut rakentaa keskimääräisiä aivoja ihmisryhmistä. Pikemminkin sen tarkoituksena oli kopioida osia ihmisen ainutlaatuisista hermoyhteyksistä personoidussa virtuaalisessa aivokaksosessa.

Seuraukset olivat valtavat: simuloidut aivot saattoivat tarjota tärkeitä vihjeitä joidenkin huolestuttavien neurologisten sairauksien murtamiseen. Sen sijaan, että käytettäisiin eläinmalleja, ne saattavat paremmin edustaa Alzheimerin taudin aivoja tai autismia tai epilepsiaa sairastavien ihmisten aivoja.

Miljardin euron projekti oli ensin kohtasi paljon skeptisyyttä. Mutta kun projekti päättyi viime kuussa, se saavutti virstanpylvään. Tutkimuksessa tammikuussa julkaistut ryhmät osoittivat, että epilepsiaa sairastavien ihmisten virtuaaliset aivomallit voivat auttaa neurokirurgeja etsimään paremmin kohtauksistaan vastuussa olevat aivoalueet.

Jokainen virtuaaliaivo hyödyntää laskennallista mallia, jota kutsutaan nimellä Virtual Epileptic Patient (VEP), joka käyttää ihmisen aivoskannauksia digitaalisen kaksosen luomiseen. Tekoälyannoksella tiimi simuloi kohtausten leviämistä aivoissa, mikä helpotti hotspottien havaitsemista ja kirurgisten toimenpiteiden kohdentamista. Menetelmää testataan parhaillaan meneillään oleva kliininen tutkimus nimeltä EPINOV. Jos se onnistuu, se on ensimmäinen yksilöllinen aivojen mallinnusmenetelmä, jota käytetään epilepsiakirurgiassa, ja se voi tasoittaa tietä muiden neurologisten häiriöiden torjumiselle.

Tulokset ovat osa perintöä Virtuaaliaivot (TVB), laskennallinen alusta henkilökohtaisten hermoyhteyksien digitalisoimiseksi. Metsästyskohtaukset ovat vasta alkua. Tohtori Viktor Jirsalle Ranskan Aix-Marseillen yliopistosta, joka johti työtä, nämä simulaatiot voivat muuttaa tapaa, jolla diagnosoimme ja hoidamme neurologisia häiriöitä.

Selvyyden vuoksi: mallit eivät ole tarkkoja jäljennöksiä ihmisaivoista. Ei ole todisteita siitä, että he "ajattelevat" tai ovat tietoisia millään tavalla. Pikemminkin ne simuloivat henkilökohtaisia aivoverkkoja - eli kuinka yksi aivoalue "puhuu" toiselle - niiden johdotuksen kuvien perusteella.

"Kun näyttöä kerääntyy henkilökohtaisten virtuaalisten aivomallien ennustusvoiman tueksi ja kun menetelmiä testataan kliinisissä tutkimuksissa, virtuaaliset aivot voivat antaa tietoa kliinisestä käytännöstä lähitulevaisuudessa", Jirsa ja kollegat kirjoitti.

Biologisista digitaalisiin aivoihin

Laajamittaiset aivokartoitusprojektit näyttävät nyt triviaali. Niistä jotka kartoittavat yhteyksiä nisäkkään aivoissa niille, jotka tislaavat aivojen algoritmeja hermojohdot, aivokartat ovat kasvaneet useiksi kartasoiksi ja 3D-malleja kenen tahansa tutkittavaksi.

Takauma vuoteen 2013. Aivojen tulkitsemiseen tarkoitettu tekoäly oli vain unelma – mutta sitä jo tavoitteli huonokuntoinen startup, joka tunnetaan nyt nimellä DeepMind. Neurotieteilijät etsivät hermokoodia – aivojen algoritmeja – menestyksekkäästi, mutta itsenäisissä laboratorioissa.

Mitä jos yhdistäisimme nämä ponnistelut?

Siirry Human Brain Projectiin (HBP). Yli 500 tutkijaa 140 yliopistossa ja muussa tutkimuslaitoksessa, Euroopan unionin hankkeesta tuli yksi ensimmäisistä laajamittaisista ohjelmista – Yhdysvaltojen ohella. AIVO-aloite ja Japanin Aivot/Mielet- yrittää ratkaista aivojen mysteerit kartoittamalla digitaalisesti niiden monimutkaiset yhteydet.

HBP:n ytimessä on digitaalinen alusta nimeltä EBRAINS. Ajattele sitä julkisena aukiona, jonne neurotieteilijät keräävät ja jakavat avoimesti tietojaan tehdäkseen yhteistyötä laajemman yhteisön kanssa. Maailmanlaajuisen ponnistelun toivotaan puolestaan voivan luoda parempia malleja aivojen sisäisestä toiminnasta.

Miksi välittää? Ajatuksemme, muistomme ja tunteemme ovat kaikki koodattu aivojen hermoverkkoihin. Kuten Google Maps paikallisteille antaa käsityksen liikennemalleista, aivokartat voivat herättää ideoita siitä, miten hermoverkot kommunikoivat normaalisti – ja milloin ne menevät pieleen.

Yksi esimerkki: Epilepsia.

Virtuaalinen epilepsiakaksos

Epilepsia vaikuttaa noin 50 miljoonaan ihmiseen maailmanlaajuisesti, ja sen laukaisee epänormaali aivotoiminta. Lääkehoitoja on olemassa. Valitettavasti noin kolmasosa potilaista ei reagoi kouristuslääkkeisiin ja tarvitsee leikkausta.

Se on kova menettely. Potilaille istutetaan useita elektrodeja kohtausten lähteen etsimiseksi (kutsutaan epileptogeeniseksi vyöhykkeeksi). Kirurgi leikkaa sitten pois nämä aivojen osat toivoen hiljentävänsä ei-toivotut hermoston salamyrskyt ja minimoivansa sivuvaikutukset.

Leikkaus on "valtava pelin muuttaja" ihmisille, joilla on hoitamaton epilepsia, sanoi Tri. Aswin Chari University College Londonista, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Mutta toimenpiteen onnistumisprosentti on vain noin 60 prosenttia, suurelta osin siksi, että epileptogeenistä vyöhykettä on vaikea määrittää.

"Ennen kuin leikkausta voidaan tehdä, potilaalle on tehtävä leikkausta edeltävä arviointi sen selvittämiseksi, voisiko kirurginen hoito pysäyttää kouristuskohtaukset aiheuttamatta neurologisia puutteita, ja kuinka se voi tapahtua." sanoi Jirsa ja kollegat.

Nykyinen menetelmä perustuu lukemattomiin aivoskannauksiin. Esimerkiksi MRI (magneettinen resonanssikuvaus) voi kartoittaa aivojen yksityiskohtaisia rakenteita. EEG (elektroenkefalografia) tallentaa aivojen sähköiset kuviot strategisesti sijoitettujen elektrodien avulla päänahan päälle.

SEEG (stereoelektroenkefalografia) on seuraava kohtausten metsästäjä. Täällä jopa 16 elektrodia asetetaan suoraan kalloon epäilyttävien alueiden tarkkailemiseksi jopa kahden viikon ajan. Vaikka menetelmä on tehokas, se on kaukana täydellisestä. Aivojen sähköinen toiminta "humisee" eri taajuuksilla. Peruskuulokkeiden tapaan SEEG tallentaa korkeataajuisen aivojen toiminnan, mutta jättää huomiotta "basso" – matalataajuiset poikkeamat, joita joskus havaitaan kohtauksissa.

Uudessa tutkimuksessa tiimi integroi kaikki nämä testitulokset Virtual Brain -alustalle rakennettuun Virtual Epileptic Patient -malliin. Se alkaa kuvista kunkin potilaan aivoista MRI- ja CT-skannauksista – jälkimmäiset jäljittävät aivoalueita yhdistäviä valkoisen aineen valtateitä. Data, kun se yhdistetään SEEG-tallenteisiin, kääritään yksilöllisiksi kartoiksi, joissa on "solmuja" – aivojen osia, jotka ovat vahvasti yhteydessä toisiinsa.

Näistä yksilöllisistä kartoista tulee osa leikkausta edeltävää seulontarutiinia ilman ylimääräistä vaivaa tai stressiä potilaalle.

Koneoppimiseen perustuvien simulaatioiden avulla tiimi voi rakentaa "digitaalisen kaksosen", joka matkii suunnilleen ihmisen aivojen rakennetta, toimintaa ja dynamiikkaa. 53 epilepsiapotilaan retrospektiivisessä testissä he käyttivät näitä virtuaalisia aivoja löytääkseen kunkin henkilön kohtauksista vastuussa olevan aivoalueen käynnistämällä kohtausten kaltaisen toiminnan digitaalisissa aivoissa. Testaamalla useita virtuaalisia leikkauksia, tiimi löysi alueita, jotka on poistettava parhaan tuloksen saavuttamiseksi.

Yhdessä esimerkissä ryhmä loi virtuaaliset aivot potilaalle, jolta poistettiin 19 osaa aivoistaan, jotta hän pääsisi eroon kohtauksista. Simuloidun leikkauksen avulla virtuaaliset tulokset vastasivat todellisia tuloksia.

Kaiken kaikkiaan simulaatiot kattavat koko aivot. Ne ovat henkilökohtaisia kartastoja 162 aivoalueesta, joiden resoluutio on noin neliömillimetri – suunnilleen pienen hiekkajyvän kokoinen. Tiimi pyrkii jo kasvattamaan resoluutiota tuhatkertaisesti.

Henkilökohtainen tulevaisuus

Meneillään oleva epilepsiatutkimus EPINOV on rekrytoinut yli 350 henkilöä. Tutkijat seuraavat heidän tuloksiaan vuoden ajan nähdäkseen, auttavatko digitaaliset korvikeaivot pitämään heidät vapaista kohtauksista.

Vuosikymmenen työstä huolimatta virtuaalisten aivomallien käyttö sairauksien hoitoon on vielä alkua. Ensinnäkin hermoyhteydet muuttuvat ajan myötä. Epilepsiapotilaan malli on vain tilannekuva ajassa, eikä se välttämättä kuvaa hänen terveydentilaansa hoidon tai muiden elämäntapahtumien jälkeen.

Mutta virtuaaliaivot ovat tehokas työkalu. Epilepsian lisäksi se auttaa tutkijoita tutkimaan muita neurologisia häiriöitä, kuten Parkinsonin tautia tai multippeliskleroosia. Lopulta, Jirsa sanoi, kyse on yhteistyöstä.

"Laskennallisen neurolääketieteen on integroitava korkean resoluution aivotiedot ja potilasspesifisyys", hän sanoi. "Lähestymistapamme perustuu vahvasti EBRAINSin tutkimusteknologioihin, ja se olisi voinut olla mahdollista vain laajamittainen yhteistyöprojekti, kuten Human Brain Project."

Kuva pistetilanne: KOMMERS / Unsplash