Хирурги симулируют целый мозг, чтобы точно определить источник припадков у своих пациентов

Десять лет назад стартовал проект Human Brain Project, преследовавший невероятную цель: оцифровать человеческий мозг.

Цель состояла не в том, чтобы построить средний мозг из групп людей. Скорее, это было воспроизведение частей уникальных нейронных связей человека в персонализированном виртуальном двойнике мозга.

Последствия были огромными: смоделированные мозги могли дать важные подсказки, чтобы помочь справиться с некоторыми из самых тревожных неврологических заболеваний. Вместо того, чтобы использовать модели животных, они могли бы лучше представить мозг человека с болезнью Альцгеймера или человека с аутизмом или эпилепсией.

Проект стоимостью в миллиард евро был первоначально встретил с большим скептицизмом. Тем не менее, когда проект завершился в прошлом месяце, он достиг важной вехи. В исследовании, опубликованные в январе этого года, команды показали, что виртуальные модели мозга людей с эпилепсией могут помочь нейрохирургам лучше выявлять области мозга, ответственные за их припадки.

Каждый виртуальный мозг подключен к вычислительной модели, получившей название «Виртуальный пациент с эпилепсией» (VEP), которая использует сканирование мозга человека для создания своего цифрового двойника. С помощью искусственного интеллекта команда смоделировала, как судорожная активность распространяется по мозгу, что упростило обнаружение горячих точек и более целенаправленное хирургическое вмешательство. Сейчас метод проходит испытания в текущие клинические испытания называется ЭПИНОВ. В случае успеха это будет первый персонализированный метод моделирования мозга, используемый в хирургии эпилепсии, и он может проложить путь для лечения других неврологических расстройств.

Результаты станут частью наследия виртуальный мозг (TVB), вычислительная платформа для оцифровки персонализированных нейронных связей. Охотничьи припадки — это только начало. По словам доктора Виктора Йирсы из Университета Экс-Марсель во Франции, который руководил работой, эти симуляции могут изменить наши методы диагностики и лечения неврологических расстройств.

Для ясности: модели не являются точными копиями человеческого мозга. Нет никаких доказательств того, что они «думают» или имеют какое-либо сознание. Скорее, они моделируют персонализированные сети мозга — то есть то, как одна область мозга «разговаривает» с другой — на основе изображений их проводки.

«По мере накопления доказательств в поддержку прогностической способности персонализированных моделей виртуального мозга и по мере того, как методы проверяются в клинических испытаниях, в ближайшем будущем виртуальный мозг может информировать клиническую практику», — Джирса и его коллеги. писал.

Биологический к цифровому мозгу

Крупномасштабные проекты картирования мозга теперь кажутся тривиальный. От тех которые отображают связи в мозге млекопитающих тем, кто выделяет алгоритмы мозга из нейронная проводка, карты мозга превратились в многочисленные атласы и 3D-модели для всех желающих.

Вернёмся в 2013 год. ИИ для расшифровки мозга был всего лишь мечтой, но уже преследованной лоскутным стартапом, теперь известным как DeepMind. Нейробиологи с успехом охотились за нейронным кодом — алгоритмами мозга, но в независимых лабораториях.

Что, если мы объединим эти усилия?

Войдите в проект «Человеческий мозг» (HBP). С более чем 500 учеными из 140 университетов и других научно-исследовательских институтов проект Европейского союза стал одной из первых крупномасштабных программ — наряду с программой США.  Мозговая инициатива и Японии Мозг/УМЫ— попытаться разгадать тайны мозга, составив цифровую карту его замысловатых связей.

В основе HBP лежит цифровая платформа, получившая название EBRAINS. Думайте об этом как о публичной площади, где нейробиологи собираются и открыто делятся своими данными для сотрудничества с более широким сообществом. В свою очередь, есть надежда, что глобальные усилия могут создать более совершенные модели внутренней работы мозга.

Зачем заботиться? Наши мысли, воспоминания и эмоции закодированы в нейронных сетях мозга. Подобно тому, как Google Maps для местных дорог дает представление о схемах движения, карты мозга могут дать представление о том, как нейронные сети обычно взаимодействуют — и когда они идут наперекосяк.

Один пример: эпилепсия.

Виртуальный близнец эпилепсии

Эпилепсия поражает примерно 50 миллионов человек во всем мире и вызывается аномальной активностью мозга. Есть лечебные процедуры. К сожалению, около трети пациентов не реагируют на противосудорожные препараты и нуждаются в хирургическом вмешательстве.

Это тяжелая процедура. Пациентам имплантируют несколько электродов, чтобы выследить источник припадков (называемый эпилептогенной зоной). Затем хирург отсекает эти части мозга, надеясь заглушить нежелательные нейронные бури молний и свести к минимуму побочные эффекты.

Операция «огромно меняет правила игры» для людей с неизлечимой эпилепсией. — сказал Доктор Асвин Чари из Университетского колледжа Лондона, который не участвовал в исследовании. Но эта процедура имеет примерно 60-процентный успех, в основном потому, что эпилептогенную зону трудно определить.

«Перед операцией пациент должен пройти предоперационное обследование, чтобы установить, может ли и каким образом хирургическое лечение остановить приступы, не вызывая неврологического дефицита». — сказал Йирса и его коллеги.

Текущий метод основан на множестве сканирований мозга. МРТ (магнитно-резонансная томография), например, может отображать подробные структуры мозга. ЭЭГ (электроэнцефалография) фиксирует электрические паттерны мозга с помощью стратегически расположенных электродов над кожей головы.

СЭЭГ (стереоэлектроэнцефалография) является следующим охотником за припадками. Здесь до 16 электродов помещаются прямо в череп для наблюдения за подозрительными участками в течение двух недель. Метод хоть и мощный, но далек от совершенства. Электрическая активность мозга «гудит» на разных частотах. Подобно паре обычных наушников, SEEG улавливает высокочастотную активность мозга, но пропускает «басы» — низкочастотные аберрации, которые иногда наблюдаются при судорогах.

В новом исследовании команда объединила все эти результаты тестов в модель виртуального пациента с эпилепсией, построенную на платформе Virtual Brain. Он начинается с изображений мозга каждого пациента, полученных с помощью МРТ и компьютерной томографии — последние отслеживают магистрали белого вещества, соединяющие области мозга. Данные в сочетании с записями SEEG объединяются в персонализированные карты с «узлами» — частями мозга, тесно связанными друг с другом.

Эти персонализированные карты становятся частью предоперационного скрининга, не требуя дополнительных усилий или стресса для пациента.

Используя моделирование на основе машинного обучения, команда может создать «цифрового двойника», который примерно имитирует структуру, активность и динамику мозга человека. В ретроспективном тесте с участием 53 человек с эпилепсией они использовали виртуальный мозг, чтобы выследить область мозга, ответственную за припадки каждого человека, запустив судорожную активность в цифровом мозге. Протестировав несколько виртуальных операций, команда обнаружила области, которые нужно удалить для достижения наилучшего результата.

В одном примере команда создала виртуальный мозг для пациента, которому удалили 19 частей мозга, чтобы избавить его от припадков. Используя смоделированную операцию, виртуальные результаты совпали с реальными.

В целом, симуляции охватывают весь мозг. Это персонализированные атласы 162 областей мозга с разрешением около одного квадратного миллиметра — размером примерно с небольшую песчинку. Команда уже работает над увеличением разрешения в тысячу раз.

Персонализированное будущее

В продолжающемся исследовании эпилепсии EPINOV приняли участие более 350 человек. Ученые будут следить за их результатами в течение года, чтобы увидеть, поможет ли цифровой суррогатный мозг избежать приступов.

Несмотря на десятилетие работы, использование виртуальных моделей мозга для лечения расстройств еще только начинается. Во-первых, нейронные связи со временем меняются. Модель пациента с эпилепсией — это всего лишь снимок во времени, который может не отражать состояние его здоровья после лечения или других жизненных событий.

Но виртуальный мозг — мощный инструмент. Помимо эпилепсии, он призван помочь ученым исследовать другие неврологические расстройства, такие как болезнь Паркинсона или рассеянный склероз. В конце концов, сказал Джирса, все дело в сотрудничестве.

«Вычислительная нейромедицина должна интегрировать данные о мозге с высоким разрешением и специфику пациента», — сказал он. — сказал. «Наш подход в значительной степени опирается на исследовательские технологии EBRAINS и мог быть возможен только в крупномасштабном совместном проекте, таком как Human Brain Project».

Изображение Фото: КОММЕРС / Unsplash 

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/