Cirurgiões estão simulando cérebros inteiros para identificar a origem das convulsões de seus pacientes

Republicado por Platão

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Cirurgiões estão simulando cérebros inteiros para identificar a origem das convulsões de seus pacientes. Inteligência de dados PlatoBlockchain. Pesquisa vertical. Ai.

Uma década atrás, o Projeto Cérebro Humano foi lançado com um objetivo de céu azul: digitalizar um cérebro humano.

O objetivo não era construir um cérebro médio a partir de grupos de pessoas. Em vez disso, era para replicar partes das conexões neurais únicas de uma pessoa em um cérebro gêmeo virtual personalizado.

As implicações eram enormes: cérebros simulados poderiam fornecer pistas cruciais para ajudar a resolver algumas das doenças neurológicas mais problemáticas. Em vez de usar modelos animais, eles podem representar melhor um cérebro de Alzheimer ou de pessoas com autismo ou epilepsia.

O projeto de bilhões de euros foi inicialmente encontrou com muito ceticismo. No entanto, quando o projeto foi concluído no mês passado, ele alcançou um marco. Num estudo publicado em janeiro, as equipes mostraram que modelos cerebrais virtuais de pessoas com epilepsia podem ajudar os neurocirurgiões a caçar melhor as regiões cerebrais responsáveis por suas convulsões.

Cada cérebro virtual aproveitou um modelo computacional apelidado de Virtual Epileptic Patient (VEP), que usa as varreduras do cérebro de uma pessoa para criar seu gêmeo digital. Com uma dose de IA, a equipe simulou como a atividade convulsiva se espalha pelo cérebro, facilitando a identificação de pontos críticos e direcionando melhor a intervenção cirúrgica. O método agora está sendo testado em um ensaio clínico em andamento chamado EPINOV. Se for bem-sucedido, será o primeiro método de modelagem cerebral personalizado usado para cirurgia de epilepsia e poderá abrir caminho para o tratamento de outros distúrbios neurológicos.

Os resultados farão parte do legado da o cérebro virtual (TVB), uma plataforma computacional para digitalizar conexões neurais personalizadas. Caçar convulsões é apenas o começo. Para o Dr. Viktor Jirsa, da Universidade Aix-Marseille, na França, que liderou o esforço, essas simulações podem transformar a forma como diagnosticamos e tratamos distúrbios neurológicos.

Para ser claro: os modelos não são réplicas exatas de um cérebro humano. Não há evidências de que eles estejam “pensando” ou conscientes de alguma forma. Em vez disso, eles simulam redes cerebrais personalizadas – isto é, como uma região do cérebro “fala” com outra – com base em imagens de sua fiação.

“À medida que as evidências se acumulam em apoio ao poder preditivo de modelos cerebrais virtuais personalizados e os métodos são testados em ensaios clínicos, os cérebros virtuais podem informar a prática clínica em um futuro próximo”, Jirsa e colegas escreveu.

Cérebros biológicos para digitais

Projetos de mapeamento cerebral em larga escala agora parecem trivial. Daqueles que mapeiam conexões em um cérebro de mamífero para aqueles que destilam os algoritmos do cérebro de fiação neural, os mapas cerebrais se transformaram em múltiplos atlas e Modelos 3D para qualquer um explorar.

Flashback para 2013. A IA para decifrar o cérebro era apenas um sonho - mas um sonho já perseguido por uma startup desconexa agora conhecida como DeepMind. Os neurocientistas estavam caçando o código neural — os algoritmos do cérebro — com sucesso, mas em laboratórios independentes.

E se juntássemos esses esforços?

Entre no Projeto Cérebro Humano (HBP). Com mais de 500 cientistas em 140 universidades e outras instituições de pesquisa, o projeto da União Européia se tornou um dos primeiros programas de larga escala - junto com o dos EUA Iniciativa BRAIN e do Japão Cérebro/MENTE– para tentar resolver os mistérios do cérebro mapeando digitalmente suas intrincadas conexões.

No núcleo do HBP está uma plataforma digital chamada EBRAINS. Pense nisso como uma praça pública, onde os neurocientistas reúnem e compartilham abertamente seus dados para colaborar com uma comunidade mais ampla. Por sua vez, espera-se que o esforço global possa gerar melhores modelos do funcionamento interno do cérebro.

Por que se importar? Nossos pensamentos, memórias e emoções estão todos codificados nas redes neurais do cérebro. Assim como o Google Maps para estradas locais fornece informações sobre os padrões de tráfego, os mapas cerebrais podem gerar ideias sobre como as redes neurais normalmente se comunicam - e quando elas dão errado.

Um exemplo: Epilepsia.

O Gêmeo Virtual da Epilepsia

A epilepsia afeta cerca de 50 milhões de pessoas em todo o mundo e é desencadeada por atividade cerebral anormal. Existem tratamentos médicos. Infelizmente, cerca de um terço dos pacientes não respondem aos medicamentos anticonvulsivantes e precisam de cirurgia.

É um procedimento difícil. Os pacientes são implantados com vários eletrodos para caçar a fonte das convulsões (chamada de zona epileptogênica). Um cirurgião então corta essas partes do cérebro, na esperança de silenciar tempestades neurais indesejadas e minimizar os efeitos colaterais.

A cirurgia é uma “grande mudança de jogo” para pessoas com epilepsia intratável, dito Dr. Aswin Chari, da University College London, que não participou do estudo. Mas o procedimento tem uma taxa de sucesso de apenas 60%, principalmente porque a zona epileptogênica é difícil de identificar.

“Antes da realização da cirurgia, o paciente deve passar por uma avaliação pré-cirúrgica para determinar se e como o tratamento cirúrgico pode parar suas convulsões sem causar déficits neurológicos,” dito Jirsa e colegas.

O método atual depende de uma miríade de varreduras cerebrais. A ressonância magnética (ressonância magnética), por exemplo, pode mapear estruturas detalhadas do cérebro. EEG (eletroencefalografia) captura os padrões elétricos do cérebro com eletrodos estrategicamente colocados sobre o couro cabeludo.

SEEG (estereoeletroencefalografia) é o próximo caçador de convulsões. Aqui, até 16 eletrodos são colocados diretamente no crânio para monitorar áreas suspeitas por até duas semanas. O método, embora poderoso, está longe de ser perfeito. A atividade elétrica do cérebro “zumbia” em diferentes frequências. Como um par de fones de ouvido básicos, o SEEG captura a atividade cerebral de alta frequência, mas perde o “baixo” – aberrações de baixa frequência às vezes vistas em convulsões.

No novo estudo, a equipe integrou todos esses resultados de teste no modelo Virtual Epileptic Patient construído na plataforma Virtual Brain. Ele começa com imagens do cérebro de cada paciente a partir de exames de ressonância magnética e tomografia computadorizada - o último rastreia as rodovias da substância branca que conectam as regiões do cérebro. Os dados, quando combinados com gravações SEEG, são agrupados em mapas personalizados com “nós” – partes do cérebro altamente conectadas entre si.

Esses mapas personalizados passam a fazer parte da rotina de triagem pré-cirúrgica, sem nenhum esforço ou estresse extra para o paciente.

Usando simulações baseadas em aprendizado de máquina, a equipe pode construir um “gêmeo digital” que imita aproximadamente a estrutura, a atividade e a dinâmica do cérebro de uma pessoa. Em um teste retrospectivo de 53 pessoas com epilepsia, eles usaram esses cérebros virtuais para caçar a região do cérebro responsável pelas convulsões de cada pessoa, desencadeando atividades semelhantes a convulsões nos cérebros digitais. Testando várias cirurgias virtuais, a equipe encontrou regiões a serem removidas para obter o melhor resultado.

Em um exemplo, a equipe gerou um cérebro virtual para um paciente que teve 19 partes de seu cérebro removidas para se livrar de suas convulsões. Usando cirurgia simulada, os resultados virtuais corresponderam ao resultado real.

No geral, as simulações abrangem todo o cérebro. Eles são atlas personalizados de 162 regiões do cérebro com uma resolução de cerca de um milímetro quadrado – aproximadamente o tamanho de um pequeno grão de areia. A equipe já está trabalhando para aumentar a resolução em mil vezes.

Um Futuro Personalizado

O estudo em andamento sobre epilepsia EPINOV recrutou mais de 350 pessoas. Os cientistas acompanharão seus resultados por um ano para ver se um cérebro substituto digital ajuda a mantê-los livres de convulsões.

Apesar de uma década de trabalho, ainda é cedo para usar modelos cerebrais virtuais para tratar distúrbios. Por um lado, as conexões neurais mudam com o tempo. Um modelo de um paciente com epilepsia é apenas um instantâneo no tempo e pode não capturar seu estado de saúde após o tratamento ou outros eventos da vida.

Mas o Cérebro Virtual é uma ferramenta poderosa. Além da epilepsia, ele deve ajudar os cientistas a explorar outros distúrbios neurológicos, como a doença de Parkinson ou a esclerose múltipla. No final, disse Jirsa, é tudo uma questão de colaboração.

“A neuromedicina computacional precisa integrar dados cerebrais de alta resolução e especificidade do paciente”, ele dito. “Nossa abordagem depende fortemente das tecnologias de pesquisa do EBRAINS e só poderia ter sido possível em um projeto colaborativo de grande escala, como o Projeto Cérebro Humano.”

Crédito de imagem: KOMMERS / Unsplash