Ahli Bedah Mensimulasikan Otak Utuh untuk Menebak Sumber Kejang Pasien Mereka

Satu dekade lalu, Proyek Otak Manusia diluncurkan dengan tujuan langit biru: mendigitalkan otak manusia.

Tujuannya bukan untuk membangun otak rata-rata dari sekelompok orang. Sebaliknya, itu untuk mereplikasi bagian dari koneksi saraf unik seseorang dalam kembaran otak virtual yang dipersonalisasi.

Implikasinya sangat besar: otak yang disimulasikan dapat memberikan petunjuk penting untuk membantu memecahkan beberapa penyakit saraf yang paling meresahkan. Daripada menggunakan model binatang, mereka mungkin lebih baik mewakili otak Alzheimer, atau otak orang dengan autisme atau epilepsi.

Proyek miliaran euro itu mulanya bertemu dengan banyak skeptisisme. Namun ketika proyek selesai bulan lalu, itu mencapai tonggak sejarah. Dalam sebuah penelitian diterbitkan Januari ini, tim menunjukkan bahwa model otak virtual penderita epilepsi dapat membantu ahli bedah saraf memburu daerah otak yang bertanggung jawab atas kejang mereka dengan lebih baik.

Setiap otak virtual memanfaatkan model komputasi yang dijuluki Virtual Epileptic Patient (VEP), yang menggunakan pemindaian otak seseorang untuk membuat kembaran digital mereka. Dengan dosis AI, tim mensimulasikan bagaimana aktivitas kejang menyebar ke seluruh otak, membuatnya lebih mudah untuk menemukan hotspot dan mengintervensi bedah dengan lebih baik. Metode ini sekarang sedang diuji dalam sebuah uji klinis yang sedang berlangsung disebut EPINOV. Jika berhasil, ini akan menjadi metode pemodelan otak yang dipersonalisasi pertama yang digunakan untuk operasi epilepsi dan dapat membuka jalan untuk mengatasi gangguan neurologis lainnya.

Hasilnya akan menjadi bagian dari warisan Otak Virtual (TVB), platform komputasi untuk mendigitalkan koneksi saraf yang dipersonalisasi. Kejang berburu hanyalah permulaan. Kepada Dr. Viktor Jirsa di Universitas Aix-Marseille di Prancis, yang memimpin upaya ini, simulasi ini dapat mengubah cara kami mendiagnosis dan mengobati gangguan saraf.

Untuk lebih jelasnya: modelnya bukanlah replika yang tepat dari otak manusia. Tidak ada bukti bahwa mereka "berpikir" atau sadar dengan cara apa pun. Sebaliknya, mereka mensimulasikan jaringan otak yang dipersonalisasi—yaitu, bagaimana satu wilayah otak “berbicara” dengan yang lain—berdasarkan gambar rangkaiannya.

“Saat bukti terakumulasi untuk mendukung kekuatan prediksi model otak virtual yang dipersonalisasi, dan saat metode diuji dalam uji klinis, otak virtual mungkin menginformasikan praktik klinis dalam waktu dekat,” Jirsa dan rekannya menulis.

Biologis ke Otak Digital

Proyek pemetaan otak skala besar kini tampak sepele. Dari itu yang memetakan koneksi di otak mamalia untuk mereka yang menyaring algoritma otak dari kabel saraf, peta otak telah berkembang menjadi beberapa atlas dan Model 3D untuk dijelajahi siapa saja.

Kilas balik ke tahun 2013. AI untuk menguraikan otak hanyalah sebuah mimpi — tetapi mimpi yang sudah dikejar oleh perusahaan rintisan yang sekarang dikenal sebagai DeepMind. Ilmuwan saraf memburu kode saraf—algoritme otak—dengan sukses, tetapi di laboratorium independen.

Bagaimana jika kita menggabungkan upaya itu?

Masukkan Proyek Otak Manusia (HBP). Dengan lebih dari 500 ilmuwan di 140 universitas dan lembaga penelitian lainnya, proyek Uni Eropa menjadi salah satu program berskala besar pertama—bersama dengan program AS.  Inisiatif BRAIN dan Jepang Otak/PIKIRAN—untuk mencoba memecahkan misteri otak dengan memetakan koneksi rumitnya secara digital.

Inti dari HBP adalah platform digital yang dijuluki EBRAINS. Anggap saja sebagai lapangan umum, tempat ahli saraf berkumpul dan secara terbuka membagikan data mereka untuk berkolaborasi dengan komunitas yang lebih luas. Pada gilirannya, diharapkan, upaya global dapat menghasilkan model yang lebih baik dari cara kerja bagian dalam otak.

Mengapa peduli? Pikiran, ingatan, dan emosi kita semuanya dikodekan dalam jaringan saraf otak. Seperti bagaimana Google Maps untuk jalan lokal memberikan wawasan tentang pola lalu lintas, peta otak dapat memicu gagasan tentang bagaimana jaringan saraf biasanya berkomunikasi—dan ketika mereka salah.

Satu contoh: Epilepsi.

Kembar Epilepsi Virtual

Epilepsi mempengaruhi sekitar 50 juta orang di seluruh dunia dan dipicu oleh aktivitas otak yang tidak normal. Ada perawatan medis. Sayangnya, sekitar sepertiga pasien tidak menanggapi obat antikejang dan memerlukan pembedahan.

Ini prosedur yang sulit. Pasien ditanamkan dengan beberapa elektroda untuk memburu sumber kejang (disebut zona epileptogenik). Seorang ahli bedah kemudian memotong bagian otak tersebut, berharap untuk membungkam badai petir saraf yang tidak diinginkan dan meminimalkan efek samping.

Operasi adalah "pengubah permainan besar" bagi orang-orang dengan epilepsi yang tidak dapat diobati, tersebut Dr Aswin Chari di University College London, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Tetapi prosedur ini hanya memiliki tingkat keberhasilan sekitar 60 persen, terutama karena zona epileptogenik sulit ditentukan.

“Sebelum operasi dapat dilakukan, pasien harus menjalani evaluasi praoperasi untuk menentukan apakah dan bagaimana perawatan bedah dapat menghentikan kejang mereka tanpa menyebabkan defisit neurologis,” tersebut Jirsa dan rekan.

Metode saat ini bergantung pada segudang pemindaian otak. MRI (magnetic resonance imaging), misalnya, dapat memetakan struktur otak secara detail. EEG (electroencephalography) menangkap pola kelistrikan otak dengan elektroda yang ditempatkan secara strategis di atas kulit kepala.

SEEG (stereoelectroencephalography) adalah pemburu kejang berikutnya. Di sini, hingga 16 elektroda ditempatkan langsung ke tengkorak untuk memantau area yang mencurigakan hingga dua minggu. Metodenya, meski ampuh, jauh dari sempurna. Aktivitas listrik otak "bersenandung" pada frekuensi yang berbeda. Seperti sepasang headphone biasa, SEEG menangkap aktivitas otak berfrekuensi tinggi tetapi melewatkan “bass”—penyimpangan frekuensi rendah terkadang terlihat pada kejang.

Dalam studi baru, tim mengintegrasikan semua hasil tes ini ke dalam model Pasien Epilepsi Virtual yang dibangun di atas platform Otak Virtual. Ini dimulai dengan gambar otak masing-masing pasien dari MRI dan CT scan — yang terakhir melacak jalan raya materi putih yang menghubungkan daerah otak. Data tersebut, jika digabungkan dengan rekaman SEEG, digulung menjadi peta yang dipersonalisasi dengan “node”—bagian otak yang sangat terhubung satu sama lain.

Peta yang dipersonalisasi ini menjadi bagian dari rutinitas pemeriksaan prabedah, tanpa usaha ekstra atau tekanan pada pasien.

Menggunakan simulasi berbasis pembelajaran mesin, tim dapat membangun "kembaran digital" yang secara kasar meniru struktur, aktivitas, dan dinamika otak seseorang. Dalam tes retrospektif terhadap 53 orang penderita epilepsi, mereka menggunakan otak virtual ini untuk memburu wilayah otak yang bertanggung jawab atas kejang setiap orang dengan memicu aktivitas seperti kejang di otak digital. Menguji beberapa operasi virtual, tim menemukan daerah yang akan dihapus untuk hasil terbaik.

Dalam satu contoh, tim membuat otak virtual untuk pasien yang 19 bagian otaknya diangkat untuk menghilangkan kejang. Menggunakan operasi simulasi, hasil virtual cocok dengan hasil sebenarnya.

Secara keseluruhan, simulasi mencakup seluruh otak. Mereka adalah atlas yang dipersonalisasi dari 162 wilayah otak dengan resolusi sekitar satu milimeter persegi—kira-kira seukuran sebutir pasir kecil. Tim sudah bekerja untuk meningkatkan resolusi ribuan kali.

Masa Depan yang Dipersonalisasi

Uji coba epilepsi EPINOV yang sedang berlangsung telah merekrut lebih dari 350 orang. Para ilmuwan akan menindaklanjuti hasil mereka selama satu tahun untuk melihat apakah otak pengganti digital membantu mereka bebas dari kejang.

Meskipun sudah bekerja selama satu dekade, ini masih awal untuk menggunakan model otak virtual untuk mengobati gangguan. Pertama, koneksi saraf berubah seiring waktu. Model pasien epilepsi hanyalah potret waktu dan mungkin tidak menangkap status kesehatan mereka setelah perawatan atau peristiwa kehidupan lainnya.

Tapi Otak Virtual adalah alat yang ampuh. Di luar epilepsi, ini diatur untuk membantu para ilmuwan mengeksplorasi gangguan neurologis lainnya, seperti penyakit Parkinson atau multiple sclerosis. Pada akhirnya, kata Jirsa, ini semua tentang kolaborasi.

“Neuromedicine komputasi perlu mengintegrasikan data otak beresolusi tinggi dan spesifisitas pasien,” dia tersebut. “Pendekatan kami sangat bergantung pada teknologi penelitian di EBRAINS dan hanya mungkin dilakukan dalam proyek kolaboratif skala besar seperti Proyek Otak Manusia.”

Gambar Kredit: KOMMER / Unsplash 

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/