Kirurger simulerar hela hjärnor för att fastställa källan till sina patienters anfall

För ett decennium sedan lanserades Human Brain Project med ett blå himmelsmål: att digitalisera en mänsklig hjärna.

Målet var inte att konstruera en genomsnittlig hjärna från grupper av människor. Snarare var det för att replikera delar av en persons unika neurala anslutningar i en personlig virtuell hjärntvilling.

Konsekvenserna var enorma: simulerade hjärnor kunde ge avgörande ledtrådar för att hjälpa till att knäcka några av de mest oroande neurologiska sjukdomarna. Snarare än att använda djurmodeller, kanske de bättre representerar en Alzheimers hjärna, eller en från personer med autism eller epilepsi.

Miljardprojektet var initialt mötte mycket skepsis. Men när projektet avslutades förra månaden nådde det en milstolpe. I en studie publicerade i januari, visade teamen att virtuella hjärnmodeller av personer med epilepsi kan hjälpa neurokirurger att bättre jaga de hjärnregioner som är ansvariga för deras anfall.

Varje virtuell hjärna utnyttjade en beräkningsmodell kallad Virtual Epileptic Patient (VEP), som använder en persons hjärnskanningar för att skapa sin digitala tvilling. Med en dos AI simulerade teamet hur anfallsaktiviteten sprider sig över hjärnan, vilket gör det lättare att upptäcka hotspots och bättre målinriktade kirurgiska ingrepp. Metoden testas nu i en pågående klinisk prövning kallas EPINOV. Om det lyckas kommer det att vara den första personliga hjärnmodelleringsmetoden som används för epilepsikirurgi och kan bana väg för att ta itu med andra neurologiska störningar.

Resultaten kommer att vara en del av arvet från den virtuella hjärnan (TVB), en beräkningsplattform för att digitalisera personliga neurala anslutningar. Jaktbeslag är bara början. För Dr Viktor Jirsa vid universitetet i Aix-Marseille i Frankrike, som ledde arbetet, kan dessa simuleringar förändra hur vi diagnostiserar och behandlar neurologiska störningar.

För att vara tydlig: modellerna är inte exakta kopior av en mänsklig hjärna. Det finns inga bevis för att de "tänker" eller är medvetna på något sätt. Snarare simulerar de personliga hjärnnätverk - det vill säga hur en hjärnregion "pratar" med en annan - baserat på bilder av deras ledningar.

"När bevis ackumuleras till stöd för den prediktiva kraften hos personliga virtuella hjärnmodeller, och när metoder testas i kliniska prövningar, kan virtuella hjärnor informera klinisk praxis inom en snar framtid," Jirsa och kollegor skrev.

Biologiska till digitala hjärnor

Storskaliga hjärnkartläggningsprojekt verkar nu triviala. Från de där som kartlägger kopplingar över en däggdjurshjärna till de som destillerar hjärnans algoritmer från neurala ledningar, hjärnkartor har vuxit till flera atlaser och 3D-modeller för alla att utforska.

Tillbakablick till 2013. AI för att dechiffrera hjärnan var bara en dröm – men en som redan eftersträvas av en knasig startup nu känd som DeepMind. Neurovetenskapsmän jagade den neurala koden – hjärnans algoritmer – med framgång, men i oberoende labb.

Tänk om vi kombinerade dessa ansträngningar?

Gå in i Human Brain Project (HBP). Med mer än 500 forskare från 140 universitet och andra forskningsinstitutioner blev EU-projektet ett av de första storskaliga programmen – tillsammans med USA:s  HJÄLN-initiativet och Japans Hjärna/SINNE—att försöka lösa hjärnans mysterier genom att digitalt kartlägga dess intrikata kopplingar.

I HBP:s kärna är en digital plattform kallad EBRAINS. Se det som ett offentligt torg, där neuroforskare samlar och öppet delar sin data för att samarbeta med en bredare gemenskap. I sin tur, hoppas man, kan den globala ansträngningen generera bättre modeller av hjärnans inre funktioner.

Varför bry sig? Våra tankar, minnen och känslor är alla kodade i hjärnans neurala nätverk. Liksom hur Google Maps för lokala vägar ger insikt i trafikmönster, kan hjärnkartor väcka idéer om hur neurala nätverk normalt kommunicerar – och när de går snett.

Ett exempel: Epilepsi.

Den virtuella epilepsitvillingen

Epilepsi drabbar ungefär 50 miljoner människor världen över och utlöses av onormal hjärnaktivitet. Det finns medicinska behandlingar. Tyvärr svarar cirka en tredjedel av patienterna inte på mediciner mot anfall och behöver opereras.

Det är en tuff procedur. Patienter implanteras med flera elektroder för att hitta källan till anfallen (kallad epileptogen zon). En kirurg klipper sedan bort dessa delar av hjärnan i hopp om att tysta oönskade neurala blixtstormar och minimera biverkningar.

Operationen är en "stor game changer" för personer med obehandlad epilepsi, sade Dr. Aswin Chari vid University College London, som inte var involverad i studien. Men proceduren har bara en framgångsfrekvens på cirka 60 procent, till stor del för att den epileptogena zonen är svår att fastställa.

"Innan operation kan äga rum måste patienten ha en förkirurgisk utvärdering för att fastställa om och hur kirurgisk behandling kan stoppa deras anfall utan att orsaka neurologiska underskott." sade Jirsa och kollegor.

Den nuvarande metoden bygger på en myriad av hjärnskanningar. MRT (magnetisk resonanstomografi) kan till exempel kartlägga detaljerade strukturer i hjärnan. EEG (elektroencefalografi) fångar hjärnans elektriska mönster med strategiskt placerade elektroder över hårbotten.

SEEG (stereoelektroencefalografi) är nästa anfallsjägare. Här placeras upp till 16 elektroder direkt in i skallen för att övervaka misstänkta områden i upp till två veckor. Metoden, även om den är kraftfull, är långt ifrån perfekt. Hjärnans elektriska aktivitet "brummar" vid olika frekvenser. Som ett par vanliga hörlurar, fångar SEEG högfrekvent hjärnaktivitet men missar "basen" - lågfrekventa avvikelser som ibland ses i anfall.

I den nya studien integrerade teamet alla dessa testresultat i modellen Virtual Epileptic Patient byggd på Virtual Brain-plattformen. Det börjar med bilder av varje patients hjärna från MRT- och CT-skanningar - de senare spårar de vita materiens motorvägar som förbinder hjärnregioner. Datan, när den kombineras med SEEG-inspelningar, rullas upp till personliga kartor med "noder" - delar av hjärnan som är starkt kopplade till varandra.

Dessa personliga kartor blir en del av den förkirurgiska screeningsrutinen, utan extra ansträngning eller stress på patienten.

Med hjälp av maskininlärningsbaserade simuleringar kan teamet bygga en "digital tvilling" som grovt efterliknar en persons hjärnstruktur, aktivitet och dynamik. I ett retrospektivt test av 53 personer med epilepsi använde de dessa virtuella hjärnor för att jaga den hjärnregion som är ansvarig för varje persons anfall genom att utlösa anfallsliknande aktivitet i de digitala hjärnorna. Genom att testa flera virtuella operationer hittade teamet regioner att ta bort för bästa resultat.

I ett exempel skapade teamet en virtuell hjärna för en patient som fick 19 delar av sin hjärna borttagen för att befria honom från sina anfall. Med hjälp av simulerad kirurgi matchade de virtuella resultaten resultatet av de faktiska.

Sammantaget omfattar simuleringarna hela hjärnan. De är personliga atlaser över 162 hjärnregioner med en upplösning på cirka en kvadratmillimeter - ungefär lika stor som ett litet sandkorn. Teamet arbetar redan med att öka upplösningen med tusen gånger.

En personlig framtid

Den pågående epilepsistudien EPINOV har rekryterat över 350 personer. Forskare kommer att följa upp deras resultat under ett år för att se om en digital surrogathjärna hjälper till att hålla dem fria från anfall.

Trots ett decennium av arbete är det fortfarande tidiga dagar för att använda virtuella hjärnmodeller för att behandla sjukdomar. För en, neurala anslutningar förändras över tiden. En modell av en epilepsipatient är bara en ögonblicksbild i tiden och kanske inte fångar deras hälsotillstånd efter behandling eller andra livshändelser.

Men den virtuella hjärnan är ett kraftfullt verktyg. Utöver epilepsi är det tänkt att hjälpa forskare att utforska andra neurologiska sjukdomar, som Parkinsons sjukdom eller multipel skleros. I slutändan, sa Jirsa, handlar det om samarbete.

"Computational neuromedicin måste integrera högupplösta hjärndata och patientspecificitet," han sade. "Vårt tillvägagångssätt är starkt beroende av forskningsteknologierna i EBRAINS och kunde bara ha varit möjligt i ett storskaligt samarbetsprojekt som Human Brain Project."

Image Credit: KOMMERS / Unsplash 

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/