Chirurdzy symulują całe mózgi, aby ustalić źródło napadów padaczkowych u swoich pacjentów

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Chirurdzy symulują całe mózgi, aby ustalić źródło napadów padaczkowych u swoich pacjentów Inteligencja danych PlatoBlockchain. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Dziesięć lat temu Human Brain Project wystartował z nadrzędnym celem: digitalizacją ludzkiego mózgu.

Celem nie było skonstruowanie przeciętnego mózgu z grup ludzi. Chodziło raczej o replikację części unikalnych połączeń neuronowych danej osoby w spersonalizowanym wirtualnym bliźniaku mózgu.

Konsekwencje były ogromne: symulowane mózgi mogą dostarczyć kluczowych wskazówek, które pomogą rozgryźć niektóre z najbardziej niepokojących chorób neurologicznych. Zamiast używać modeli zwierzęcych, mogą one lepiej reprezentować mózg osoby cierpiącej na chorobę Alzheimera lub osoby z autyzmem lub epilepsją.

Projekt wart miliardy euro był początkowo spotkał się z dużym sceptycyzmem. Jednak gdy projekt zakończył się w zeszłym miesiącu, osiągnął kamień milowy. W badaniu opublikowanym w styczniu tego roku, zespoły wykazały, że wirtualne modele mózgu osób z padaczką mogą pomóc neurochirurgom w lepszym wyszukiwaniu obszarów mózgu odpowiedzialnych za ich napady.

Każdy wirtualny mózg był podłączony do modelu obliczeniowego zwanego wirtualnym pacjentem z padaczką (VEP), który wykorzystuje skany mózgu danej osoby do stworzenia cyfrowego bliźniaka. Z dawką sztucznej inteligencji zespół symulował, w jaki sposób aktywność napadów rozprzestrzenia się w mózgu, ułatwiając wykrywanie punktów zapalnych i lepsze ukierunkowanie interwencji chirurgicznej. Metoda jest obecnie testowana m.in trwające badanie kliniczne nazywa się EPINOW. Jeśli się powiedzie, będzie to pierwsza spersonalizowana metoda modelowania mózgu stosowana w chirurgii padaczki i może utorować drogę do walki z innymi zaburzeniami neurologicznymi.

Wyniki będą częścią dziedzictwa wirtualny mózg (TVB), platforma obliczeniowa do digitalizacji spersonalizowanych połączeń neuronowych. Polowanie na napady padaczkowe to dopiero początek. Zdaniem dr Viktora Jirsy z Uniwersytetu Aix-Marseille we Francji, który kierował badaniami, te symulacje mogą zmienić sposób, w jaki diagnozujemy i leczymy zaburzenia neurologiczne.

Żeby było jasne: modele nie są dokładnymi replikami ludzkiego mózgu. Nie ma dowodów na to, że „myślą” lub są w jakikolwiek sposób świadomi. Zamiast tego symulują spersonalizowane sieci mózgowe – to znaczy sposób, w jaki jeden region mózgu „rozmawia” z innym – w oparciu o obrazy ich okablowania.

„Gdy gromadzą się dowody potwierdzające moc predykcyjną spersonalizowanych wirtualnych modeli mózgu, a metody są testowane w badaniach klinicznych, wirtualne mózgi mogą w niedalekiej przyszłości wpłynąć na praktykę kliniczną”, Jirsa i współpracownicy napisał.

Biologiczne do cyfrowych mózgów

Projekty mapowania mózgu na dużą skalę wydają się teraz trywialny. Od tych które odwzorowują połączenia w mózgu ssaków do tych, z których destylują algorytmy mózgu okablowanie neuronowe, mapy mózgu rozrosły się w wiele atlasów i Modele 3D do eksploracji dla każdego.

Wspomnienie z 2013 roku. Sztuczna inteligencja do rozszyfrowania mózgu była tylko marzeniem – ale już realizowanym przez kiepski start-up znany obecnie jako DeepMind. Neuronaukowcy polowali na kod neuronowy – algorytmy mózgu – z powodzeniem, ale w niezależnych laboratoriach.

A gdybyśmy połączyli te wysiłki?

Wejdź do Human Brain Project (HBP). Z ponad 500 naukowcami ze 140 uniwersytetów i innych instytucji badawczych, projekt Unii Europejskiej stał się jednym z pierwszych programów na dużą skalę — wraz z amerykańskim Inicjatywa BRAIN i Japonii Mózg/UMYSŁY—próba rozwiązania zagadek mózgu poprzez cyfrowe mapowanie jego skomplikowanych połączeń.

Sercem HBP jest platforma cyfrowa o nazwie EBRAINS. Pomyśl o tym jak o placu publicznym, na którym neuronaukowcy zbierają i otwarcie udostępniają swoje dane, aby współpracować z szerszą społecznością. Z kolei ma się nadzieję, że globalny wysiłek może wygenerować lepsze modele wewnętrznego działania mózgu.

Po co dbać? Nasze myśli, wspomnienia i emocje są zakodowane w sieciach neuronowych mózgu. Podobnie jak Mapy Google dla dróg lokalnych dają wgląd w wzorce ruchu, mapy mózgowe mogą być źródłem pomysłów na to, jak normalnie komunikują się sieci neuronowe – i kiedy się psują.

Jeden przykład: Padaczka.

Wirtualny bliźniak padaczki

Padaczka dotyka około 50 milionów ludzi na całym świecie i jest wywoływana przez nieprawidłową aktywność mózgu. Są zabiegi medyczne. Niestety, około jedna trzecia pacjentów nie reaguje na leki przeciwpadaczkowe i wymaga operacji.

To trudna procedura. Pacjentom wszczepia się wiele elektrod, aby wytropić źródło napadów (tzw. strefę epileptogenną). Następnie chirurg wycina te części mózgu, mając nadzieję, że uciszy niechciane burze neuronowe i zminimalizuje skutki uboczne.

Operacja jest „wielką zmianą” dla osób z nieuleczalną padaczką, powiedziany Dr Aswin Chari z University College London, który nie brał udziału w badaniu. Ale procedura ma tylko około 60 procent skuteczności, głównie dlatego, że trudno jest określić strefę epileptogenną.

„Zanim operacja będzie mogła się odbyć, pacjent musi zostać poddany ocenie przedoperacyjnej w celu ustalenia, czy iw jaki sposób leczenie chirurgiczne może powstrzymać napady padaczkowe bez powodowania deficytów neurologicznych” powiedziany Jirsa i współpracownicy.

Obecna metoda opiera się na niezliczonych skanach mózgu. Na przykład MRI (obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego) może mapować szczegółowe struktury mózgu. EEG (elektroencefalografia) rejestruje wzorce elektryczne mózgu za pomocą strategicznie rozmieszczonych elektrod na skórze głowy.

SEEG (stereoelektroencefalografia) to kolejny łowca napadów padaczkowych. Tutaj do 16 elektrod umieszcza się bezpośrednio w czaszce, aby monitorować podejrzane obszary przez okres do dwóch tygodni. Metoda, choć potężna, jest daleka od doskonałości. Aktywność elektryczna mózgu „buczy” na różnych częstotliwościach. Podobnie jak para podstawowych słuchawek, SEEG rejestruje aktywność mózgu o wysokiej częstotliwości, ale brakuje „basów” — aberracji o niskiej częstotliwości, które czasami obserwuje się podczas napadów padaczkowych.

W nowym badaniu zespół zintegrował wszystkie te wyniki testów z modelem wirtualnego pacjenta z padaczką zbudowanym na platformie Virtual Brain. Zaczyna się od obrazów mózgu każdego pacjenta ze skanów MRI i CT – te ostatnie śledzą autostrady istoty białej łączące obszary mózgu. Dane, w połączeniu z nagraniami SEEG, są łączone w spersonalizowane mapy z „węzłami” – częściami mózgu, które są ze sobą silnie połączone.

Te spersonalizowane mapy stają się częścią rutynowych badań przedoperacyjnych, bez dodatkowego wysiłku i stresu dla pacjenta.

Korzystając z symulacji opartych na uczeniu maszynowym, zespół może zbudować „cyfrowego bliźniaka”, który z grubsza naśladuje strukturę, aktywność i dynamikę mózgu człowieka. W retrospektywnym teście 53 osób z padaczką wykorzystali te wirtualne mózgi do wyśledzenia obszaru mózgu odpowiedzialnego za napady padaczkowe każdej osoby, wyzwalając aktywność podobną do napadu w cyfrowych mózgach. Testując wiele wirtualnych gabinetów, zespół znalazł regiony, które należy usunąć, aby uzyskać najlepszy wynik.

W jednym przykładzie zespół wygenerował wirtualny mózg dla pacjenta, któremu usunięto 19 części mózgu, aby uwolnić go od napadów. Wykorzystując symulowaną operację, wirtualne wyniki pasowały do wyników rzeczywistych.

Ogólnie rzecz biorąc, symulacje obejmują cały mózg. Są to spersonalizowane atlasy 162 obszarów mózgu o rozdzielczości około jednego milimetra kwadratowego – mniej więcej wielkości małego ziarnka piasku. Zespół już pracuje nad zwiększeniem rozdzielczości tysiąckrotnie.

Spersonalizowana przyszłość

Trwające badanie epilepsji EPINOV zrekrutowało ponad 350 osób. Naukowcy będą śledzić ich wyniki przez rok, aby sprawdzić, czy cyfrowy mózg zastępczy pomaga im chronić się przed napadami padaczkowymi.

Pomimo dekady pracy, wciąż jest wcześnie na wykorzystanie wirtualnych modeli mózgu do leczenia zaburzeń. Po pierwsze, połączenia neuronowe zmieniają się w czasie. Model pacjenta z padaczką jest tylko migawką w czasie i może nie odzwierciedlać jego stanu zdrowia po leczeniu lub innych wydarzeniach życiowych.

Ale Virtual Brain to potężne narzędzie. Poza epilepsją ma pomóc naukowcom w badaniu innych zaburzeń neurologicznych, takich jak choroba Parkinsona czy stwardnienie rozsiane. W końcu, powiedział Jirsa, wszystko zależy od współpracy.

„Neuromedycyna obliczeniowa musi integrować dane mózgowe o wysokiej rozdzielczości i specyficzność pacjenta” — powiedział powiedziany. „Nasze podejście w dużej mierze opiera się na technologiach badawczych w EBRAINS i mogło być możliwe tylko w ramach wielkoskalowego projektu opartego na współpracy, takiego jak Human Brain Project”.

Kredytowych Image: KOMMER / Unsplash