Les chirurgiens simulent des cerveaux entiers pour déterminer la source des crises de leurs patients

Republié par Platon

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Il y a dix ans, le Human Brain Project a été lancé avec un objectif ambitieux : numériser un cerveau humain.

Le but n'était pas de construire un cerveau moyen à partir de groupes de personnes. Il s'agissait plutôt de reproduire des parties des connexions neuronales uniques d'une personne dans un jumeau cérébral virtuel personnalisé.

Les implications étaient énormes : des cerveaux simulés pourraient fournir des indices cruciaux pour aider à résoudre certaines des maladies neurologiques les plus troublantes. Plutôt que d'utiliser des modèles animaux, ils pourraient mieux représenter le cerveau d'un Alzheimer, ou celui de personnes atteintes d'autisme ou d'épilepsie.

Le projet d'un milliard d'euros a été possible rencontré beaucoup de scepticisme. Pourtant, lorsque le projet s'est terminé le mois dernier, il a franchi une étape importante. Dans une étude publiés en janvier dernier, les équipes ont montré que des modèles cérébraux virtuels de personnes épileptiques peuvent aider les neurochirurgiens à mieux traquer les régions cérébrales responsables de leurs crises.

Chaque cerveau virtuel a puisé dans un modèle informatique appelé le patient épileptique virtuel (VEP), qui utilise les scans cérébraux d'une personne pour créer son jumeau numérique. Avec une dose d'IA, l'équipe a simulé la façon dont l'activité épileptique se propage dans le cerveau, ce qui facilite la détection des points chauds et permet de mieux cibler l'intervention chirurgicale. La méthode est actuellement testée dans un essai clinique en cours appelé EPINOV. En cas de succès, ce sera la première méthode de modélisation cérébrale personnalisée utilisée pour la chirurgie de l'épilepsie et pourrait ouvrir la voie à la lutte contre d'autres troubles neurologiques.

Les résultats feront partie de l'héritage de le cerveau virtuel (TVB), une plateforme de calcul pour numériser des connexions neuronales personnalisées. Les saisies de chasse ne sont que le début. Pour le Dr Viktor Jirsa de l'Université d'Aix-Marseille en France, qui a dirigé l'effort, ces simulations pourraient transformer la façon dont nous diagnostiquons et traitons les troubles neurologiques.

Pour être clair : les modèles ne sont pas des répliques exactes d'un cerveau humain. Il n'y a aucune preuve qu'ils "pensent" ou sont conscients de quelque façon que ce soit. Au lieu de cela, ils simulent des réseaux cérébraux personnalisés, c'est-à-dire la façon dont une région cérébrale « parle » à une autre, sur la base d'images de leur câblage.

"Alors que les preuves s'accumulent à l'appui du pouvoir prédictif des modèles de cerveau virtuel personnalisés, et que les méthodes sont testées dans des essais cliniques, les cerveaux virtuels pourraient éclairer la pratique clinique dans un avenir proche", ont déclaré Jirsa et ses collègues. écrit.

Du cerveau biologique au cerveau numérique

Des projets de cartographie cérébrale à grande échelle semblent maintenant insignifiant. De ceux qui cartographient les connexions à travers un cerveau de mammifère à ceux qui distillent les algorithmes du cerveau à partir câblage neuronal, les cartes cérébrales sont devenues de multiples atlas et Des modèles 3D à explorer par tous.

Retour en arrière en 2013. L'IA pour déchiffrer le cerveau n'était qu'un rêve, mais déjà poursuivi par une startup décousue désormais connue sous le nom de DeepMind. Les neuroscientifiques traquaient le code neuronal – les algorithmes du cerveau – avec succès, mais dans des laboratoires indépendants.

Et si nous combinions ces efforts ?

Entrez dans le Human Brain Project (HBP). Avec plus de 500 scientifiques répartis dans 140 universités et autres instituts de recherche, le projet de l'Union européenne est devenu l'un des premiers programmes à grande échelle, avec les États-Unis Initiative cerveau et le Japon Cerveau/ESPRIT—pour tenter de résoudre les mystères du cerveau en cartographiant numériquement ses connexions complexes.

Au cœur du HBP se trouve une plateforme numérique baptisée EBRAINS. Considérez-le comme une place publique, où les neuroscientifiques se rassemblent et partagent ouvertement leurs données pour collaborer avec une communauté plus large. À son tour, on espère que l'effort mondial pourra générer de meilleurs modèles du fonctionnement interne du cerveau.

Pourquoi s'en soucier ? Nos pensées, nos souvenirs et nos émotions sont tous encodés dans les réseaux neuronaux du cerveau. Comme la façon dont Google Maps pour les routes locales donne un aperçu des modèles de trafic, les cartes cérébrales peuvent susciter des idées sur la façon dont les réseaux de neurones communiquent normalement et quand ils tournent mal.

Un exemple: Épilepsie.

Le jumeau virtuel de l'épilepsie

L'épilepsie touche environ 50 millions de personnes dans le monde et est déclenchée par une activité cérébrale anormale. Il existe des traitements médicaux. Malheureusement, environ un tiers des patients ne répondent pas aux médicaments anti-épileptiques et ont besoin d'une intervention chirurgicale.

C'est une procédure difficile. Les patients sont implantés avec plusieurs électrodes pour traquer la source des crises (appelée zone épileptogène). Un chirurgien coupe ensuite ces parties du cerveau, dans l'espoir de faire taire les orages neuronaux indésirables et de minimiser les effets secondaires.

La chirurgie est un "changement de jeu énorme" pour les personnes atteintes d'épilepsie incurable, a affirmé Valérie Plante. Dr Aswin Chari de l'University College de Londres, qui n'a pas participé à l'étude. Mais la procédure n'a qu'un taux de réussite d'environ 60%, en grande partie parce que la zone épileptogène est difficile à identifier.

"Avant que la chirurgie puisse avoir lieu, le patient doit subir une évaluation préchirurgicale pour déterminer si et comment un traitement chirurgical pourrait arrêter ses crises sans provoquer de déficits neurologiques", a affirmé Valérie Plante. Jirsa et ses collègues.

La méthode actuelle repose sur une myriade de scanners cérébraux. L'IRM (imagerie par résonance magnétique), par exemple, peut cartographier des structures détaillées du cerveau. L'EEG (électroencéphalographie) capture les schémas électriques du cerveau avec des électrodes stratégiquement placées sur le cuir chevelu.

SEEG (stéréoélectroencéphalographie) est le prochain chasseur de crises. Ici, jusqu'à 16 électrodes sont placées directement dans le crâne pour surveiller les zones suspectes jusqu'à deux semaines. La méthode, bien que puissante, est loin d'être parfaite. L'activité électrique du cerveau « bourdonne » à différentes fréquences. Comme une paire d'écouteurs de base, SEEG capture l'activité cérébrale à haute fréquence mais manque les "basses" - des aberrations à basse fréquence parfois observées dans les crises.

Dans la nouvelle étude, l'équipe a intégré tous ces résultats de test dans le modèle de patient épileptique virtuel construit sur la plateforme Virtual Brain. Cela commence par des images du cerveau de chaque patient provenant d'IRM et de tomodensitogrammes, ces derniers traquant les autoroutes de la substance blanche reliant les régions du cerveau. Les données, lorsqu'elles sont combinées avec les enregistrements SEEG, sont regroupées dans des cartes personnalisées avec des «nœuds» - des parties du cerveau hautement connectées les unes aux autres.

Ces cartes personnalisées font partie de la routine de dépistage préopératoire, sans effort ni stress supplémentaire pour le patient.

À l'aide de simulations basées sur l'apprentissage automatique, l'équipe peut créer un « jumeau numérique » qui imite approximativement la structure, l'activité et la dynamique du cerveau d'une personne. Dans un test rétrospectif de 53 personnes atteintes d'épilepsie, ils ont utilisé ces cerveaux virtuels pour traquer la région cérébrale responsable des crises de chaque personne en déclenchant une activité semblable à une crise dans les cerveaux numériques. En testant plusieurs chirurgies virtuelles, l'équipe a trouvé des régions à supprimer pour obtenir le meilleur résultat.

Dans un exemple, l'équipe a généré un cerveau virtuel pour un patient qui s'est fait enlever 19 parties de son cerveau pour le débarrasser de ses crises. En utilisant une chirurgie simulée, les résultats virtuels correspondaient aux résultats réels.

Dans l'ensemble, les simulations englobent l'ensemble du cerveau. Ce sont des atlas personnalisés de 162 régions cérébrales avec une résolution d'environ un millimètre carré, soit à peu près la taille d'un petit grain de sable. L'équipe travaille déjà à multiplier par mille la résolution.

Un avenir personnalisé

L'essai en cours sur l'épilepsie EPINOV a recruté plus de 350 personnes. Les scientifiques suivront leurs résultats pendant un an pour voir si un cerveau de substitution numérique les aide à éviter les crises.

Malgré une décennie de travail, il est encore trop tôt pour utiliser des modèles cérébraux virtuels pour traiter les troubles. D'une part, les connexions neuronales changent avec le temps. Un modèle d'un patient épileptique n'est qu'un instantané dans le temps et peut ne pas capturer son état de santé après un traitement ou d'autres événements de la vie.

Mais le cerveau virtuel est un outil puissant. Au-delà de l'épilepsie, il est destiné à aider les scientifiques à explorer d'autres troubles neurologiques, tels que la maladie de Parkinson ou la sclérose en plaques. En fin de compte, a déclaré Jirsa, tout est une question de collaboration.

"La neuromédecine computationnelle doit intégrer des données cérébrales à haute résolution et la spécificité des patients", a-t-il déclaré. a affirmé Valérie Plante.. "Notre approche s'appuie fortement sur les technologies de recherche d'EBRAINS et n'aurait pu être possible que dans un projet collaboratif à grande échelle tel que le Human Brain Project."

Crédit image: COMMERCES / Unsplash