I chirurghi stanno simulando interi cervelli per individuare l'origine delle convulsioni dei loro pazienti

Un decennio fa, lo Human Brain Project è stato lanciato con un obiettivo ambizioso: digitalizzare un cervello umano.

L'obiettivo non era quello di costruire un cervello medio da gruppi di persone. Piuttosto, si trattava di replicare parti delle connessioni neurali uniche di una persona in un gemello cerebrale virtuale personalizzato.

Le implicazioni erano enormi: i cervelli simulati potevano fornire indizi cruciali per aiutare a decifrare alcune delle più preoccupanti malattie neurologiche. Piuttosto che usare modelli animali, potrebbero rappresentare meglio un cervello di Alzheimer, o uno di persone con autismo o epilessia.

Il progetto da un miliardo di euro era inizialmente incontrato molto scetticismo. Tuttavia, quando il progetto si è concluso il mese scorso, ha raggiunto una pietra miliare. In uno studio pubblicato a gennaio, i team hanno dimostrato che i modelli cerebrali virtuali di persone con epilessia possono aiutare i neurochirurghi a scovare meglio le regioni del cervello responsabili delle loro crisi.

Ogni cervello virtuale ha attinto a un modello computazionale soprannominato Virtual Epileptic Patient (VEP), che utilizza le scansioni cerebrali di una persona per creare il proprio gemello digitale. Con una dose di intelligenza artificiale, il team ha simulato il modo in cui l'attività convulsiva si diffonde nel cervello, rendendo più facile individuare i punti caldi e indirizzare meglio l'intervento chirurgico. Il metodo è ora in fase di test in un file sperimentazione clinica in corso chiamato EPINOV. In caso di successo, sarà il primo metodo di modellazione cerebrale personalizzato utilizzato per la chirurgia dell'epilessia e potrebbe aprire la strada per affrontare altri disturbi neurologici.

I risultati faranno parte dell'eredità di il cervello virtuale (TVB), una piattaforma computazionale per digitalizzare connessioni neurali personalizzate. La caccia alle convulsioni è solo l'inizio. Per il dottor Viktor Jirsa dell'Università di Aix-Marseille in Francia, che ha guidato lo sforzo, queste simulazioni possono trasformare il modo in cui diagnostichiamo e trattiamo i disturbi neurologici.

Per essere chiari: i modelli non sono repliche esatte di un cervello umano. Non ci sono prove che stiano "pensando" o coscienti in alcun modo. Piuttosto, simulano reti cerebrali personalizzate, ovvero il modo in cui una regione del cervello "parla" a un'altra, sulla base delle immagini del loro cablaggio.

"Mentre le prove si accumulano a sostegno del potere predittivo dei modelli cerebrali virtuali personalizzati e mentre i metodi vengono testati negli studi clinici, i cervelli virtuali potrebbero informare la pratica clinica nel prossimo futuro", Jirsa e colleghi ha scritto.

Cervelli da biologici a digitali

Ora sembrano progetti di mappatura del cervello su larga scala banale. Da quelli che mappano le connessioni attraverso un cervello di mammifero a quelli che distillano gli algoritmi del cervello da cablaggio neurale, le mappe cerebrali sono diventate molteplici atlanti e Modelli 3D da esplorare per chiunque.

Flashback al 2013. L'intelligenza artificiale per decifrare il cervello era solo un sogno, ma già perseguito da una startup frammentaria ora nota come DeepMind. I neuroscienziati stavano dando la caccia al codice neurale, gli algoritmi del cervello, con successo, ma in laboratori indipendenti.

E se unissimo questi sforzi?

Inserisci il progetto del cervello umano (HBP). Con oltre 500 scienziati in 140 università e altri istituti di ricerca, il progetto dell'Unione europea è diventato uno dei primi programmi su larga scala, insieme a quello statunitense  Iniziativa BRAIN e del Giappone Cervello/MENTI- per tentare di risolvere i misteri del cervello mappando digitalmente le sue intricate connessioni.

Al centro dell'HBP c'è una piattaforma digitale chiamata EBRRAINS. Pensala come una piazza pubblica, dove i neuroscienziati raccolgono e condividono apertamente i loro dati per collaborare con una comunità più ampia. A sua volta, si spera, lo sforzo globale può generare modelli migliori del funzionamento interno del cervello.

Perché preoccuparsi? I nostri pensieri, ricordi ed emozioni sono tutti codificati nelle reti neurali del cervello. Come il modo in cui Google Maps per le strade locali fornisce informazioni sui modelli di traffico, le mappe cerebrali possono stimolare idee su come normalmente comunicano le reti neurali e quando vanno male.

Un esempio: Epilessia.

Il gemello virtuale dell'epilessia

L'epilessia colpisce circa 50 milioni di persone in tutto il mondo ed è scatenata da un'attività cerebrale anomala. Ci sono cure mediche. Sfortunatamente, circa un terzo dei pazienti non risponde ai farmaci antiepilettici e necessita di un intervento chirurgico.

È una procedura difficile. Ai pazienti vengono impiantati più elettrodi per scovare la fonte delle crisi (chiamata zona epilettogena). Un chirurgo quindi taglia via quelle parti del cervello, sperando di mettere a tacere le tempeste di fulmini neurali indesiderate e ridurre al minimo gli effetti collaterali.

L'intervento è un "enorme punto di svolta" per le persone con epilessia non curabile, disse Dr. Aswin Chari dell'University College di Londra, che non è stato coinvolto nello studio. Ma la procedura ha solo un tasso di successo di circa il 60%, soprattutto perché la zona epilettogena è difficile da individuare.

"Prima che l'intervento chirurgico possa aver luogo, il paziente deve sottoporsi a una valutazione prechirurgica per stabilire se e come il trattamento chirurgico possa fermare le sue convulsioni senza causare deficit neurologici", disse Jirsa e colleghi.

Il metodo attuale si basa su una miriade di scansioni cerebrali. La risonanza magnetica (imaging a risonanza magnetica), ad esempio, può mappare strutture dettagliate del cervello. L'EEG (elettroencefalografia) cattura gli schemi elettrici del cervello con elettrodi posizionati strategicamente sul cuoio capelluto.

SEEG (stereoelettroencefalografia) è il prossimo cacciatore di crisi. Qui, fino a 16 elettrodi vengono posizionati direttamente nel cranio per monitorare le aree sospette per un massimo di due settimane. Il metodo, sebbene potente, è tutt'altro che perfetto. L'attività elettrica del cervello "ronza" a frequenze diverse. Come un paio di cuffie di base, SEEG cattura l'attività cerebrale ad alta frequenza ma perde i "bassi", aberrazioni a bassa frequenza che a volte si vedono durante le convulsioni.

Nel nuovo studio, il team ha integrato tutti questi risultati dei test nel modello Virtual Epileptic Patient costruito sulla piattaforma Virtual Brain. Inizia con le immagini del cervello di ciascun paziente ottenute da scansioni MRI e TC: queste ultime rintracciano le autostrade della materia bianca che collegano le regioni cerebrali. I dati, quando combinati con le registrazioni SEEG, vengono raggruppati in mappe personalizzate con "nodi", parti del cervello altamente connesse tra loro.

Queste mappe personalizzate diventano parte della routine di screening prechirurgica, senza ulteriori sforzi o stress per il paziente.

Utilizzando simulazioni basate sull'apprendimento automatico, il team può costruire un "gemello digitale" che imita approssimativamente la struttura, l'attività e le dinamiche del cervello di una persona. In un test retrospettivo di 53 persone con epilessia, hanno usato questi cervelli virtuali per dare la caccia alla regione del cervello responsabile delle convulsioni di ogni persona innescando un'attività simile alle convulsioni nei cervelli digitali. Testando più interventi chirurgici virtuali, il team ha trovato le regioni da rimuovere per ottenere il miglior risultato.

In un esempio, il team ha generato un cervello virtuale per un paziente a cui sono state rimosse 19 parti del cervello per liberarlo dalle sue convulsioni. Utilizzando la chirurgia simulata, i risultati virtuali corrispondevano a quelli effettivi.

Nel complesso, le simulazioni comprendono l'intero cervello. Sono atlanti personalizzati di 162 regioni cerebrali con una risoluzione di circa un millimetro quadrato, all'incirca le dimensioni di un piccolo granello di sabbia. Il team sta già lavorando per aumentare di mille volte la risoluzione.

Un futuro personalizzato

Lo studio EPINOV sull'epilessia in corso ha reclutato oltre 350 persone. Gli scienziati seguiranno i loro risultati per un anno per vedere se un cervello surrogato digitale aiuta a tenerli liberi dalle convulsioni.

Nonostante un decennio di lavoro, è ancora presto per utilizzare modelli di cervello virtuale per trattare i disturbi. Per prima cosa, le connessioni neurali cambiano nel tempo. Un modello di un paziente con epilessia è solo un'istantanea nel tempo e potrebbe non catturare il suo stato di salute dopo il trattamento o altri eventi della vita.

Ma il cervello virtuale è uno strumento potente. Oltre all'epilessia, è destinato ad aiutare gli scienziati a esplorare altri disturbi neurologici, come il morbo di Parkinson o la sclerosi multipla. Alla fine, ha detto Jirsa, è tutta una questione di collaborazione.

"La neuromedicina computazionale deve integrare dati cerebrali ad alta risoluzione e specificità del paziente", ha affermato disse. "Il nostro approccio si basa fortemente sulle tecnologie di ricerca in EBRRAINS e avrebbe potuto essere possibile solo in un progetto collaborativo su larga scala come lo Human Brain Project".

Immagine di credito: KOMMERS / Unsplash 

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• Fonte: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/