A sebészek egész agyat szimulálnak, hogy felderítsék pácienseik rohamai forrását

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Surgeons Are Simulating Whole Brains to Pin Down the Source of Their Patients’ Seizures PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Egy évtizeddel ezelőtt indult el a Human Brain Project, amelynek célja a kék ég: az emberi agy digitalizálása.

A cél nem az volt, hogy embercsoportokból átlagos agyat hozzunk létre. Inkább egy személy egyedi neurális kapcsolatainak egyes részeit reprodukálták egy személyre szabott virtuális agyi ikerben.

A következmények hatalmasak voltak: a szimulált agy kulcsfontosságú támpontokat adhat a legaggasztóbb neurológiai betegségek feloldásához. Ahelyett, hogy állatmodelleket használnának, jobban reprezentálják az Alzheimer-kórt, vagy az autista vagy epilepsziás emberek agyát.

A milliárd eurós projekt az volt alapvetően sok szkepticizmussal találkozott. Mégis, ahogy a projekt a múlt hónapban befejeződött, mérföldkövet ért el. Egy tanulmányban Az idén januárban publikált csapatok kimutatták, hogy az epilepsziás emberek virtuális agymodelljei segíthetnek az idegsebészeknek jobban levadászni a rohamokért felelős agyi régiókat.

Mindegyik virtuális agy a Virtual Epileptic Patient (VEP) elnevezésű számítástechnikai modellbe kapcsolódott be, amely egy személy agyi szkennelései alapján hozza létre digitális ikertestvérét. Egy adag mesterséges intelligencia segítségével a csapat azt szimulálta, hogy a rohamok hogyan terjednek át az agyban, így könnyebben észlelhetőek a hotspotok, és jobban célzott sebészeti beavatkozás. A módszert most egy folyamatban lévő klinikai vizsgálat EPINOV néven. Ha sikerrel jár, ez lesz az első személyre szabott agymodellezési módszer, amelyet epilepszia műtéteknél alkalmaznak, és utat nyithat más neurológiai rendellenességek kezeléséhez.

Az eredmények része lesz az örökség a Virtuális Agy (TVB), egy számítógépes platform személyre szabott neurális kapcsolatok digitalizálására. A vadászati rohamok csak a kezdet. Dr. Viktor Jirsának a francia Aix-Marseille Egyetemen, aki az erőfeszítést vezette, ezek a szimulációk megváltoztathatják a neurológiai rendellenességek diagnosztizálását és kezelését.

Az egyértelműség kedvéért: a modellek nem az emberi agy pontos másolatai. Nincs bizonyíték arra, hogy bármilyen módon „gondolkodnak” vagy tudatosak. Inkább személyre szabott agyi hálózatokat szimulálnak – vagyis azt, ahogy az egyik agyrégió „beszél” a másikkal – a vezetékezésük képei alapján.

„Mivel a bizonyítékok gyűlnek a személyre szabott virtuális agymodellek előrejelző erejének alátámasztására, és ahogy a módszereket klinikai vizsgálatok során tesztelik, a virtuális agyak a közeljövőben hasznosak lehetnek a klinikai gyakorlatban” – mondta Jirsa és munkatársai. írt.

Biológiaitól digitális agyig

Úgy tűnik, nagyszabású agytérképezési projektek jelentéktelen. Azoktól amelyek az emlősagyon keresztüli kapcsolatokat térképezik fel azoknak, amelyek az agy algoritmusait desztillálják idegi huzalozás, az agytérképek több atlaszba nőttek és 3D modellek, amelyeket bárki felfedezhet.

Visszatekintés 2013-ba. Az agy megfejtésére szolgáló mesterséges intelligencia csak egy álom volt – de ezt már a DeepMind néven ismert ócska startup is követte. Az idegtudósok sikerrel vadászták a neurális kódot – az agy algoritmusait –, de független laboratóriumokban.

Mi lenne, ha egyesítenénk ezeket az erőfeszítéseket?

Lépjen be a Human Brain Project (HBP) programba. 500 egyetemen és más kutatóintézetben több mint 140 tudóssal az Európai Unió projektje az egyik első nagyszabású program lett – az Egyesült Államokkal együtt. BRAIN kezdeményezés és Japáné Agy/ELMEK– az agy rejtélyeinek megfejtése bonyolult összefüggéseinek digitális feltérképezésével.

A HBP magja az EBRAINS névre keresztelt digitális platform. Tekintsd ezt egy nyilvános térnek, ahol az idegtudósok összegyűjtik és nyíltan megosztják adataikat, hogy szélesebb közösséggel működjenek együtt. A remények szerint viszont a globális erőfeszítés jobb modelleket hozhat létre az agy belső működéséről.

Miért érdekel? Gondolataink, emlékeink és érzelmeink mind az agy neurális hálózataiban vannak kódolva. Ahogyan a helyi utakhoz készült Google Térkép betekintést nyújt a forgalmi mintákba, az agytérképek ötleteket adhatnak arról, hogy a neurális hálózatok miként kommunikálnak általában – és mikor hibáznak.

Egy példa: Epilepszia.

A virtuális epilepsziás iker

Az epilepszia körülbelül 50 millió embert érint világszerte, és a kóros agyi aktivitás váltja ki. Vannak orvosi kezelések. Sajnos a betegek körülbelül egyharmada nem reagál a rohamellenes gyógyszerekre, és műtétre van szüksége.

Ez egy kemény eljárás. A betegekbe több elektródát ültetnek be, hogy megtalálják a rohamok forrását (ezt epileptogén zónának nevezik). A sebész ezután levágja az agy ezen részeit, abban a reményben, hogy elhallgattatja a nem kívánt idegi villámlást és minimalizálja a mellékhatásokat.

A műtét egy „hatalmas változás” a kezelhetetlen epilepsziában szenvedők számára, mondott Dr. Aswin Chari, a University College London munkatársa, aki nem vett részt a tanulmányban. De az eljárásnak csak nagyjából 60 százalékos a sikeressége, nagyrészt azért, mert az epileptogén zónát nehéz pontosan meghatározni.

"Mielőtt megtörténhet a műtét, a páciensnek műtét előtti értékelést kell végeznie annak megállapítására, hogy a sebészeti kezelés megállíthatja-e, és ha igen, hogyan, anélkül, hogy neurológiai rendellenességeket okozna." mondott Jirsa és munkatársai.

A jelenlegi módszer számtalan agyvizsgálaton alapul. Az MRI (mágneses rezonancia képalkotás) például képes feltérképezni az agy részletes struktúráit. Az EEG (elektroencephalográfia) a fejbőrön stratégiailag elhelyezett elektródákkal rögzíti az agy elektromos mintázatait.

A SEEG (sztereoelektroencephalográfia) a következő rohamvadász. Itt akár 16 elektródát helyeznek közvetlenül a koponyába, hogy akár két hétig figyeljék a gyanús területeket. A módszer, bár hatékony, távolról sem tökéletes. Az agy elektromos aktivitása különböző frekvenciákon „zúg”. Egy pár alapvető fejhallgatóhoz hasonlóan a SEEG is rögzíti a magas frekvenciájú agytevékenységet, de nem veszi figyelembe a „basszust” – az alacsony frekvenciájú aberrációkat, amelyek néha görcsrohamok során észlelhetők.

Az új tanulmányban a csapat ezeket a teszteredményeket integrálta a Virtual Brain platformra épülő Virtual Epileptic Patient modellbe. Minden egyes páciens agyának MRI- és CT-felvételeiből indul ki – az utóbbiak az agyrégiókat összekötő fehéranyag-útvonalakat követik nyomon. Az adatok a SEEG-felvételekkel kombinálva személyre szabott térképekké gyűlnek össze „csomópontokkal” – az agynak egymással szorosan összefüggő részeivel.

Ezek a személyre szabott térképek a műtét előtti szűrési rutin részévé válnak, anélkül, hogy a pácienst különösebb erőfeszítéssel vagy stresszel terhelnék.

A gépi tanuláson alapuló szimulációk segítségével a csapat fel tud építeni egy „digitális ikertestvért”, amely nagyjából utánozza az ember agyszerkezetét, tevékenységét és dinamikáját. Egy 53 epilepsziás ember retrospektív tesztjében ezeket a virtuális agyakat használták fel, hogy levadászták az egyes személyek rohamaiért felelős agyi régiót azáltal, hogy rohamszerű tevékenységet váltottak ki a digitális agyban. Több virtuális műtét tesztelése során a csapat olyan régiókat talált, amelyeket el kell távolítani a legjobb eredmény érdekében.

Az egyik példában a csapat virtuális agyat generált egy páciens számára, akinek 19 agyrészét eltávolították, hogy megszabaduljanak a rohamoktól. Szimulált műtéttel a virtuális eredmények megegyeztek a tényleges eredményekkel.

Összességében a szimulációk az egész agyat felölelik. Ezek 162 agyi régió személyre szabott atlaszai, amelyek felbontása körülbelül egy négyzetmilliméter – nagyjából akkora, mint egy kis homokszem. A csapat már azon dolgozik, hogy a felbontást ezerszeresére növelje.

Személyre szabott jövő

A folyamatban lévő EPINOV epilepszia-vizsgálat több mint 350 embert vett fel. A tudósok egy évig nyomon követik eredményeiket, hogy kiderüljön, vajon a digitális helyettesítő agy segít-e megőrizni őket a rohamoktól.

A több évtizedes munka ellenére még mindig kezdeti időszak a virtuális agymodellek használata a rendellenességek kezelésére. Egyrészt az idegi kapcsolatok idővel változnak. Az epilepsziás beteg modellje csak egy pillanatfelvétel az időben, és előfordulhat, hogy nem rögzíti a kezelés vagy más életesemények utáni egészségi állapotát.

De a Virtuális Agy egy hatékony eszköz. Az epilepszián túl más neurológiai rendellenességek, például a Parkinson-kór vagy a sclerosis multiplex feltárásában is segít a tudósoknak. Végül, mondta Jirsa, minden az együttműködésről szól.

"A számítógépes neuromedicinának integrálnia kell a nagy felbontású agyi adatokat és a betegspecifikus adatokat" - mondta mondott. „Megközelítésünk nagymértékben támaszkodik az EBRAINS kutatási technológiáira, és csak egy nagyszabású, együttműködésen alapuló projektben lehetett volna lehetséges, mint például a Human Brain Project.”

Kép: KOMMERS / Unsplash