Chirurgii simulează creier întreg pentru a identifica sursa convulsiilor pacienților lor

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Chirurgii simulează creier întreg pentru a identifica sursa convulsiilor pacienților lor PlatoBlockchain Data Intelligence. Căutare verticală. Ai.

În urmă cu un deceniu, Proiectul creierului uman a fost lansat cu un obiectiv al cerului albastru: digitizarea unui creier uman.

Scopul nu a fost de a construi un creier mediu din grupuri de oameni. Mai degrabă, a fost să reproducă părți ale conexiunilor neuronale unice ale unei persoane într-un geamăn virtual personalizat.

Implicațiile au fost uriașe: creierele simulate ar putea oferi indicii cruciale pentru a ajuta la depistarea unora dintre cele mai tulburătoare boli neurologice. În loc să utilizeze modele animale, ele ar putea reprezenta mai bine un creier Alzheimer sau unul de la persoane cu autism sau epilepsie.

Proiectul de un miliard de euro a fost inițial întâlnit cu mult scepticism. Cu toate acestea, pe măsură ce proiectul sa încheiat luna trecută, a atins o piatră de hotar. Într-un studiu publicate în ianuarie, echipele au arătat că modelele virtuale ale creierului persoanelor cu epilepsie pot ajuta neurochirurgii să vâneze mai bine regiunile creierului responsabile de convulsii.

Fiecare creier virtual a folosit un model computațional numit Pacientul Epileptic Virtual (VEP), care utilizează scanările creierului unei persoane pentru a-și crea geamănul digital. Cu o doză de inteligență artificială, echipa a simulat modul în care activitatea convulsive se răspândește în creier, facilitând identificarea punctelor fierbinți și țintind mai bine intervenția chirurgicală. Metoda este acum testată într-un studiu clinic în curs numit EPINOV. Dacă va avea succes, va fi prima metodă personalizată de modelare a creierului folosită pentru operația de epilepsie și ar putea deschide drumul pentru abordarea altor tulburări neurologice.

Rezultatele vor face parte din moștenirea creierul virtual (TVB), o platformă de calcul pentru digitizarea conexiunilor neuronale personalizate. Crizele de vânătoare sunt doar începutul. Pentru Dr. Viktor Jirsa de la Universitatea Aix-Marseille din Franța, care a condus efortul, aceste simulări pot transforma modul în care diagnosticăm și tratăm tulburările neurologice.

Pentru a fi clar: modelele nu sunt replici exacte ale unui creier uman. Nu există dovezi că „gândesc” sau sunt conștienți în vreun fel. Mai degrabă, ei simulează rețele cerebrale personalizate – adică modul în care o regiune a creierului „vorbește” cu alta – pe baza imaginilor cablajului lor.

„Pe măsură ce dovezile se acumulează în sprijinul puterii predictive a modelelor personalizate de creier virtual și pe măsură ce metodele sunt testate în studiile clinice, creierul virtual ar putea informa practica clinică în viitorul apropiat”, Jirsa și colegii săi. scris.

De la biologic la creierul digital

Proiectele de cartografiere a creierului la scară largă par acum banal. Din acelea care cartografiază conexiunile din creierul unui mamifer la cei care distilează algoritmii creierului din cablare neuronală, hărțile creierului au crescut în mai multe atlase și Modele 3D pe care oricine le poate explora.

Flashback în 2013. Inteligența artificială pentru descifrarea creierului a fost doar un vis, dar deja urmărit de un startup prost cunoscut acum sub numele de DeepMind. Oamenii în neuroștiință căutau codul neuronal - algoritmii creierului - cu succes, dar în laboratoare independente.

Dacă am combina aceste eforturi?

Intră în Human Brain Project (HBP). Cu peste 500 de oameni de știință din 140 de universități și alte instituții de cercetare, proiectul Uniunii Europene a devenit unul dintre primele programe de mare amploare, împreună cu cele ale SUA. Inițiativa BRAIN și Japonia Creier/MINTE— să încerce să rezolve misterele creierului prin cartografierea digitală a conexiunilor sale complicate.

La baza HBP se află o platformă digitală numită EBRAINS. Gândiți-vă la ea ca la o piață publică, unde oamenii de știință în neuroștiință se adună și își împărtășesc în mod deschis datele pentru a colabora cu o comunitate mai largă. La rândul său, se speră, efortul global poate genera modele mai bune ale funcționării interioare a creierului.

De ce să-i pese? Gândurile, amintirile și emoțiile noastre sunt toate codificate în rețelele neuronale ale creierului. Așa cum Google Maps pentru drumurile locale oferă o perspectivă asupra tiparelor de trafic, hărțile creierului pot stârni idei despre modul în care rețelele neuronale comunică în mod normal și când acestea merg prost.

Un exemplu: Epilepsie.

Geamănul Virtual Epilepsie

Epilepsia afectează aproximativ 50 de milioane de oameni din întreaga lume și este declanșată de o activitate anormală a creierului. Există tratamente medicale. Din păcate, aproximativ o treime dintre pacienți nu răspund la medicamentele anti-convulsii și necesită o intervenție chirurgicală.

Este o procedură grea. Pacienților li se implantează electrozi multipli pentru a căuta sursa convulsiilor (numită zonă epileptogenă). Apoi, un chirurg taie acele părți ale creierului, sperând să reducă la tăcere furtunile neuronale nedorite și să minimizeze efectele secundare.

Operația este un „schimbator imens” pentru persoanele cu epilepsie netratabilă, a spus Dr. Aswin Chari de la University College London, care nu a fost implicat în studiu. Dar procedura are doar o rată de succes de aproximativ 60%, în mare parte pentru că zona epileptogenă este greu de identificat.

„Înainte de intervenția chirurgicală, pacientul trebuie să aibă o evaluare prechirurgicală pentru a stabili dacă și cum tratamentul chirurgical le poate opri crizele fără a provoca deficite neurologice.” a spus Jirsa si colegii.

Metoda actuală se bazează pe o multitudine de scanări ale creierului. RMN (imagini prin rezonanță magnetică), de exemplu, poate mapa structuri detaliate ale creierului. EEG (electroencefalografia) captează modelele electrice ale creierului cu electrozi plasați strategic peste scalp.

SEEG (stereoelectroencefalografia) este următorul vânător de crize. Aici, până la 16 electrozi sunt plasați direct în craniu pentru a monitoriza zonele suspecte timp de până la două săptămâni. Metoda, deși puternică, este departe de a fi perfectă. Activitatea electrică a creierului „zumzea” la frecvențe diferite. La fel ca o pereche de căști de bază, SEEG captează activitatea creierului de înaltă frecvență, dar ratează „basul” – aberațiile de joasă frecvență observate uneori în convulsii.

În noul studiu, echipa a integrat toate aceste rezultate ale testelor în modelul Virtual Epileptic Patient construit pe platforma Virtual Brain. Începe cu imagini ale creierului fiecărui pacient din scanări RMN și CT - acestea din urmă urmăresc autostrăzile substanței albe care conectează regiunile creierului. Datele, atunci când sunt combinate cu înregistrările SEEG, sunt reunite în hărți personalizate cu „noduri” – părți ale creierului care sunt puternic conectate între ele.

Aceste hărți personalizate devin parte din rutina de screening prechirurgical, fără efort sau stres suplimentar asupra pacientului.

Folosind simulări bazate pe învățare automată, echipa poate construi un „geamăn digital” care imită aproximativ structura creierului, activitatea și dinamica unei persoane. Într-un test retrospectiv pe 53 de persoane cu epilepsie, aceștia au folosit aceste creiere virtuale pentru a urmări regiunea creierului responsabilă de convulsiile fiecărei persoane, declanșând o activitate asemănătoare crizei în creierul digital. Testând mai multe operații virtuale, echipa a găsit regiuni de îndepărtat pentru cel mai bun rezultat.

Într-un exemplu, echipa a generat un creier virtual pentru un pacient căruia i-au fost îndepărtate 19 părți ale creierului pentru a-l scăpa de convulsii. Folosind intervenții chirurgicale simulate, rezultatele virtuale se potriveau cu cele reale.

În general, simulările cuprind întregul creier. Sunt atlase personalizate ale 162 de regiuni ale creierului, cu o rezoluție de aproximativ un milimetru pătrat – aproximativ de dimensiunea unui fir mic de nisip. Echipa lucrează deja pentru a mări rezoluția de o mie de ori.

Un viitor personalizat

Studiul în curs de desfășurare a epilepsiei EPINOV a recrutat peste 350 de persoane. Oamenii de știință vor urmări rezultatele lor timp de un an pentru a vedea dacă un creier digital surogat îi ajută să nu sufere de convulsii.

În ciuda unui deceniu de muncă, este încă devreme pentru utilizarea modelelor virtuale de creier pentru a trata tulburările. În primul rând, conexiunile neuronale se schimbă în timp. Un model al unui pacient cu epilepsie este doar un instantaneu în timp și poate să nu surprindă starea lor de sănătate în urma tratamentului sau a altor evenimente de viață.

Dar creierul virtual este un instrument puternic. Dincolo de epilepsie, este setat să ajute oamenii de știință să exploreze alte tulburări neurologice, cum ar fi boala Parkinson sau scleroza multiplă. Până la urmă, a spus Jirsa, totul ține de colaborare.

„Neuromedicina computațională trebuie să integreze datele creierului de înaltă rezoluție și specificul pacientului”, el a spus. „Abordarea noastră se bazează în mare măsură pe tehnologiile de cercetare din EBRAINS și ar fi putut fi posibilă doar într-un proiect de colaborare la scară largă, cum ar fi Human Brain Project.”

Credit imagine: KOMMERS / Unsplash