ศัลยแพทย์กำลังจำลองสมองทั้งหมดเพื่อระบุแหล่งที่มาของอาการชักของผู้ป่วย

เมื่อ XNUMX ปีที่แล้ว โครงการสมองมนุษย์เปิดตัวโดยมีเป้าหมายที่ชัดเจน: แปลงสมองมนุษย์ให้เป็นดิจิทัล

เป้าหมายไม่ใช่การสร้างสมองเฉลี่ยจากกลุ่มคน แต่เป็นการจำลองส่วนต่างๆ ของการเชื่อมต่อทางประสาทเฉพาะของบุคคลในแฝดสมองเสมือนส่วนบุคคล

ผลกระทบนั้นใหญ่มาก: สมองจำลองสามารถให้เบาะแสที่สำคัญเพื่อช่วยถอดรหัสโรคทางระบบประสาทที่เป็นปัญหามากที่สุด แทนที่จะใช้แบบจำลองสัตว์ พวกมันอาจแสดงถึงสมองของอัลไซเมอร์หรือจากคนออทิสติกหรือโรคลมบ้าหมูได้ดีกว่า

โครงการพันล้านยูโรคือ ในขั้นต้น พบกับความกังขาอย่างมาก. แต่เมื่อโครงการสิ้นสุดลงเมื่อเดือนที่แล้ว โครงการนี้ได้บรรลุหลักสำคัญ ในการศึกษา เผยแพร่ในเดือนมกราคมนี้ ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองสมองเสมือนจริงของผู้ที่เป็นโรคลมบ้าหมูสามารถช่วยให้ศัลยแพทย์ระบบประสาทสามารถค้นหาบริเวณสมองที่รับผิดชอบต่ออาการชักได้ดีขึ้น

สมองเสมือนแต่ละส่วนถูกดึงเข้าไปในแบบจำลองการคำนวณที่เรียกว่า Virtual Epileptic Patient (VEP) ซึ่งใช้การสแกนสมองของบุคคลเพื่อสร้างแฝดดิจิทัล ด้วยปริมาณของ AI ทีมงานได้จำลองการเกิดอาการชักที่แพร่กระจายไปทั่วสมอง ทำให้ง่ายต่อการระบุจุดสำคัญและกำหนดเป้าหมายการผ่าตัดได้ดีขึ้น วิธีการนี้กำลังได้รับการทดสอบใน การทดลองทางคลินิกอย่างต่อเนื่อง เรียกว่า EPINOV หากประสบความสำเร็จ จะเป็นวิธีการสร้างแบบจำลองสมองส่วนบุคคลวิธีแรกที่ใช้สำหรับการผ่าตัดโรคลมชัก และอาจปูทางไปสู่การจัดการกับความผิดปกติทางระบบประสาทอื่นๆ

ผลลัพธ์จะเป็นส่วนหนึ่งของมรดกของ สมองเสมือน (TVB) แพลตฟอร์มการคำนวณเพื่อแปลงการเชื่อมต่อประสาทส่วนบุคคลให้เป็นดิจิทัล การจับกุมตามล่าเป็นเพียงจุดเริ่มต้น ถึง Dr. Viktor Jirsa แห่งมหาวิทยาลัย Aix-Marseille ในฝรั่งเศส ซึ่งเป็นผู้นำความพยายาม การจำลองเหล่านี้อาจเปลี่ยนวิธีที่เราวินิจฉัยและรักษาความผิดปกติของระบบประสาท

เพื่อให้ชัดเจน: แบบจำลองไม่ใช่แบบจำลองของสมองมนุษย์ ไม่มีหลักฐานว่าพวกเขากำลัง "คิด" หรือรู้ตัวแต่อย่างใด แต่เป็นการจำลองเครือข่ายสมองส่วนบุคคล กล่าวคือ สมองส่วนหนึ่ง "พูดคุย" กับอีกสมองหนึ่งได้อย่างไร โดยอ้างอิงจากภาพการเดินสายไฟ

“ในขณะที่หลักฐานสะสมเพื่อสนับสนุนพลังในการทำนายของแบบจำลองสมองเสมือนส่วนบุคคล และวิธีการได้รับการทดสอบในการทดลองทางคลินิก สมองเสมือนอาจแจ้งการปฏิบัติทางคลินิกในอนาคตอันใกล้นี้” Jirsa และเพื่อนร่วมงาน เขียน.

ชีวภาพสู่สมองดิจิทัล

ตอนนี้ดูเหมือนโครงการแผนที่สมองขนาดใหญ่ จิ๊บจ๊อย. จากสิ่งเหล่านั้น แผนที่การเชื่อมต่อระหว่างสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ไปจนถึงผู้ที่กลั่นกรองอัลกอริทึมของสมองจาก การเดินสายประสาทแผนที่สมองได้เติบโตขึ้นเป็นแผนที่หลายอันและ โมเดล 3 มิติสำหรับทุกคนในการสำรวจ.

ย้อนไปในปี 2013 AI สำหรับการถอดรหัสสมองเป็นเพียงความฝัน—แต่สิ่งที่ตามมาคือสตาร์ทอัพห่วยๆ ที่รู้จักกันในชื่อ DeepMind นักประสาทวิทยากำลังตามล่ารหัสประสาท ซึ่งเป็นอัลกอริทึมของสมองด้วยความสำเร็จ แต่ในห้องแล็บอิสระ

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเรารวมความพยายามเหล่านั้นเข้าด้วยกัน?

เข้าสู่โครงการสมองมนุษย์ (HBP) ด้วยนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 500 คนในมหาวิทยาลัย 140 แห่งและสถาบันวิจัยอื่น ๆ โครงการของสหภาพยุโรปจึงกลายเป็นหนึ่งในโครงการขนาดใหญ่โครงการแรก ๆ ร่วมกับสหรัฐอเมริกา  ความคิดริเริ่มของสมอง และของญี่ปุ่น สมอง/จิตใจ—เพื่อพยายามไขความลึกลับของสมองด้วยการทำแผนที่การเชื่อมต่อที่ซับซ้อนแบบดิจิทัล

หัวใจหลักของ HBP คือแพลตฟอร์มดิจิทัลที่มีชื่อว่า EBRAINS ให้คิดว่าเป็นจัตุรัสสาธารณะที่ซึ่งนักประสาทวิทยาศาสตร์มารวมตัวกันและเปิดเผยข้อมูลของตนอย่างเปิดเผยเพื่อทำงานร่วมกับชุมชนที่กว้างขึ้น ในทางกลับกัน เราหวังว่าความพยายามระดับโลกจะสามารถสร้างแบบจำลองการทำงานภายในของสมองที่ดีขึ้นได้

ทำไมต้องแคร์? ความคิด ความทรงจำ และอารมณ์ของเราทั้งหมดถูกเข้ารหัสในเครือข่ายประสาทของสมอง เช่นเดียวกับวิธีที่ Google Maps สำหรับถนนในท้องถิ่นให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับรูปแบบการจราจร แผนที่สมองสามารถจุดประกายความคิดเกี่ยวกับวิธีที่โครงข่ายประสาทเทียมสื่อสารกันตามปกติ และเมื่อเกิดข้อผิดพลาด

ตัวอย่างหนึ่ง: โรคลมบ้าหมู.

โรคลมบ้าหมูเสมือนจริงแฝด

โรคลมชักส่งผลกระทบต่อผู้คนประมาณ 50 ล้านคนทั่วโลก และเกิดจากการทำงานของสมองที่ผิดปกติ มีการรักษาทางการแพทย์ น่าเสียดายที่ประมาณหนึ่งในสามของผู้ป่วยไม่ตอบสนองต่อยากันชักและจำเป็นต้องได้รับการผ่าตัด

เป็นขั้นตอนที่ยาก ผู้ป่วยได้รับการฝังอิเล็กโทรดหลายตัวเพื่อตามล่าหาต้นตอของอาการชัก (เรียกว่า epileptogenic zone) จากนั้นศัลยแพทย์จะตัดสมองส่วนดังกล่าวออกไป โดยหวังว่าจะทำให้พายุฟ้าคะนองในระบบประสาทสงบลง และลดผลข้างเคียงให้เหลือน้อยที่สุด

การผ่าตัดเป็น "ตัวเปลี่ยนเกมครั้งใหญ่" สำหรับผู้ที่เป็นโรคลมชักที่รักษาไม่ได้ กล่าวว่า ดร. อัศวิน ชารี จาก University College London ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษา แต่ขั้นตอนนี้มีอัตราความสำเร็จเพียงประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ ส่วนใหญ่เป็นเพราะโซนโรคลมชักยากที่จะระบุได้

“ก่อนที่จะทำการผ่าตัด ผู้ป่วยจะต้องได้รับการประเมินก่อนการผ่าตัดเพื่อประเมินว่าการรักษาด้วยการผ่าตัดจะหยุดอาการชักได้อย่างไรและอย่างไรโดยไม่ทำให้เกิดภาวะขาดดุลทางระบบประสาท” กล่าวว่า จิรสาและคณะ.

วิธีการปัจจุบันอาศัยการสแกนสมองมากมาย ตัวอย่างเช่น MRI (การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก) สามารถทำแผนที่โครงสร้างโดยละเอียดของสมองได้ EEG (electroencephalography) จับรูปแบบไฟฟ้าของสมองด้วยอิเล็กโทรดที่วางอย่างมีกลยุทธ์เหนือหนังศีรษะ

SEEG (stereoelectroencephalography) เป็นนักล่าอาการชักรายต่อไป ที่นี่มีการวางอิเล็กโทรดมากถึง 16 ขั้วในกะโหลกศีรษะโดยตรงเพื่อตรวจสอบพื้นที่ที่น่าสงสัยนานถึงสองสัปดาห์ แม้ว่าวิธีนี้จะทรงพลัง แต่ก็ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ กิจกรรมทางไฟฟ้าของสมอง "ฮัม" ที่ความถี่ต่างๆ เช่นเดียวกับหูฟังพื้นฐานคู่หนึ่ง SEEG จับการทำงานของสมองความถี่สูง แต่พลาด "เสียงเบส" ซึ่งเป็นความคลาดเคลื่อนความถี่ต่ำที่บางครั้งอาจพบได้ในอาการชัก

ในการศึกษาใหม่ ทีมงานได้รวมผลการทดสอบทั้งหมดเหล่านี้เข้ากับแบบจำลองผู้ป่วยโรคลมชักเสมือนจริงที่สร้างขึ้นบนแพลตฟอร์ม Virtual Brain มันเริ่มต้นด้วยภาพสมองของผู้ป่วยแต่ละรายจากการสแกน MRI และ CT ภาพหลังจะติดตามทางหลวงของสสารสีขาวที่เชื่อมต่อบริเวณสมอง เมื่อรวมข้อมูลเข้ากับการบันทึกของ SEEG แล้ว จะถูกรวบรวมเป็นแผนที่ส่วนบุคคลที่มี "โหนด" ซึ่งเป็นส่วนของสมองที่เชื่อมต่อกันอย่างมาก

แผนที่เฉพาะบุคคลเหล่านี้กลายเป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการตรวจคัดกรองก่อนการผ่าตัด โดยที่ผู้ป่วยไม่ต้องออกแรงหรือเครียดเป็นพิเศษ

ทีมงานสามารถสร้าง "แฝดดิจิทัล" ที่เลียนแบบโครงสร้างสมอง กิจกรรม และไดนามิกของบุคคลอย่างคร่าวๆ โดยใช้การจำลองการเรียนรู้ด้วยเครื่อง ในการทดสอบย้อนหลังกับผู้ป่วยโรคลมชัก 53 คน พวกเขาใช้สมองเสมือนเหล่านี้เพื่อตามล่าบริเวณสมองที่รับผิดชอบอาการชักของแต่ละคน โดยกระตุ้นกิจกรรมที่คล้ายกับการชักในสมองดิจิทัล จากการทดสอบการผ่าตัดเสมือนจริงหลายครั้ง ทีมพบบริเวณที่จะลบออกเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

ในตัวอย่างหนึ่ง ทีมสร้างสมองเสมือนจริงสำหรับผู้ป่วยที่ผ่าตัดเอาสมองออก 19 ส่วนเพื่อรักษาอาการชัก การใช้การผ่าตัดจำลองทำให้ได้ผลลัพธ์เสมือนจริงที่ตรงกับผลลัพธ์จริง

โดยรวมแล้ว การจำลองครอบคลุมสมองทั้งหมด แผนที่เหล่านี้เป็นแผนที่ส่วนบุคคลที่มีพื้นที่สมอง 162 แห่งที่มีความละเอียดประมาณ XNUMX ตารางมิลลิเมตร ซึ่งมีขนาดประมาณเม็ดทรายเล็กๆ ทีมงานกำลังดำเนินการเพื่อเพิ่มความละเอียดเป็นพันเท่า

อนาคตส่วนบุคคล

EPINOV ทดลองโรคลมชักที่กำลังดำเนินอยู่ได้คัดเลือกคนกว่า 350 คน นักวิทยาศาสตร์จะติดตามผลของพวกเขาเป็นเวลาหนึ่งปีเพื่อดูว่าสมองตัวแทนดิจิทัลช่วยให้พวกเขาปลอดจากอาการชักหรือไม่

แม้จะมีการทำงานมานานนับสิบปี แต่ก็ยังเป็นวันแรกสำหรับการใช้แบบจำลองสมองเสมือนเพื่อรักษาความผิดปกติ อย่างแรก การเชื่อมต่อของระบบประสาทเปลี่ยนไปตามกาลเวลา แบบจำลองของผู้ป่วยโรคลมชักเป็นเพียงภาพรวมของเวลาและอาจไม่ได้บันทึกสถานะสุขภาพของพวกเขาหลังการรักษาหรือเหตุการณ์ในชีวิตอื่น ๆ

แต่ Virtual Brain เป็นเครื่องมือที่ทรงพลัง นอกเหนือจากโรคลมบ้าหมูแล้ว ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สำรวจความผิดปกติทางระบบประสาทอื่นๆ เช่น โรคพาร์กินสันหรือโรคปลอกประสาทเสื่อมแข็ง จิรศา กล่าวปิดท้าย ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องของการทำงานร่วมกัน

“การแพทย์ทางระบบประสาทเชิงคำนวณจำเป็นต้องผสานรวมข้อมูลสมองที่มีความละเอียดสูงและความเฉพาะเจาะจงของผู้ป่วย” เขา กล่าวว่า. “แนวทางของเราต้องอาศัยเทคโนโลยีการวิจัยใน EBRAINS เป็นอย่างมาก และจะเป็นไปได้เฉพาะในโครงการความร่วมมือขนาดใหญ่ เช่น โครงการสมองมนุษย์”

เครดิตภาพ: คอมเมอร์ส / Unsplash 

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/