Các bác sĩ phẫu thuật đang mô phỏng toàn bộ bộ não để xác định nguồn gốc cơn động kinh của bệnh nhân

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Các bác sĩ phẫu thuật đang mô phỏng toàn bộ bộ não để xác định nguồn gốc cơn động kinh của bệnh nhân Thông minh dữ liệu PlatoBlockchain. Tìm kiếm dọc. Ái.

Một thập kỷ trước, Dự án Bộ não Con người đã khởi động với một mục tiêu cao cả: số hóa bộ não con người.

Mục tiêu không phải là xây dựng một bộ não trung bình từ các nhóm người. Thay vào đó, nó là để tái tạo các phần của các kết nối thần kinh duy nhất của một người trong một bộ não song sinh ảo được cá nhân hóa.

Hệ quả là rất lớn: não mô phỏng có thể cung cấp manh mối quan trọng giúp giải quyết một số bệnh thần kinh rắc rối nhất. Thay vì sử dụng các mô hình động vật, chúng có thể đại diện tốt hơn cho bộ não của người mắc bệnh Alzheimer hoặc bộ não của những người mắc chứng tự kỷ hoặc động kinh.

Dự án tỷ euro đã ban đầu gặp nhiều hoài nghi. Tuy nhiên, khi dự án kết thúc vào tháng trước, nó đã đạt được một cột mốc quan trọng. Trong một nghiên cứu được công bố vào tháng XNUMX này, các nhóm đã chỉ ra rằng các mô hình não ảo của những người bị động kinh có thể giúp các bác sĩ giải phẫu thần kinh tìm kiếm tốt hơn các vùng não chịu trách nhiệm cho các cơn động kinh của họ.

Mỗi bộ não ảo được khai thác vào một mô hình điện toán có tên là Bệnh nhân động kinh ảo (VEP), sử dụng bản quét não của một người để tạo ra bản song sinh kỹ thuật số của họ. Với một lượng AI, nhóm đã mô phỏng cách hoạt động co giật lan truyền khắp não, giúp dễ dàng phát hiện các điểm nóng và nhắm mục tiêu can thiệp phẫu thuật tốt hơn. Phương pháp hiện đang được thử nghiệm trong một thử nghiệm lâm sàng đang diễn ra được gọi là EPINOV. Nếu thành công, đây sẽ là phương pháp lập mô hình não cá nhân hóa đầu tiên được sử dụng cho phẫu thuật động kinh và có thể mở đường cho việc giải quyết các rối loạn thần kinh khác.

Kết quả sẽ là một phần di sản của bộ não ảo (TVB), một nền tảng điện toán để số hóa các kết nối thần kinh được cá nhân hóa. Các cuộc săn bắt chỉ là khởi đầu. Đối với Tiến sĩ Viktor Jirsa tại Đại học Aix-Marseille ở Pháp, người đứng đầu nỗ lực này, những mô phỏng này có thể thay đổi cách chúng ta chẩn đoán và điều trị các rối loạn thần kinh.

Nói rõ hơn: các mô hình không phải là bản sao chính xác của bộ não con người. Không có bằng chứng nào cho thấy họ đang “suy nghĩ” hoặc có ý thức theo bất kỳ cách nào. Thay vào đó, chúng mô phỏng các mạng não được cá nhân hóa—nghĩa là cách một vùng não “nói chuyện” với vùng khác—dựa trên hình ảnh về hệ thống dây điện của chúng.

Jirsa và các đồng nghiệp cho biết: “Khi có nhiều bằng chứng ủng hộ khả năng dự đoán của các mô hình não ảo được cá nhân hóa và khi các phương pháp được thử nghiệm trong các thử nghiệm lâm sàng, não ảo có thể cung cấp thông tin cho thực hành lâm sàng trong tương lai gần”. đã viết.

Bộ não sinh học đến kỹ thuật số

Các dự án lập bản đồ não quy mô lớn dường như tầm thường. Từ những bản đồ kết nối trên não động vật có vú đến những thứ chắt lọc các thuật toán của bộ não từ dây thần kinh, bản đồ não bộ đã phát triển thành nhiều tập bản đồ và Mô hình 3D cho mọi người khám phá.

Hồi tưởng về năm 2013. Trí tuệ nhân tạo để giải mã bộ não chỉ là một giấc mơ—nhưng giấc mơ đó đã được một công ty khởi nghiệp nhỏ bé hiện có tên là DeepMind theo đuổi. Các nhà thần kinh học đang săn lùng mã thần kinh—thuật toán của bộ não—với thành công, nhưng trong các phòng thí nghiệm độc lập.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta kết hợp những nỗ lực đó?

Tham gia Dự án Bộ não Con người (HBP). Với hơn 500 nhà khoa học ở 140 trường đại học và các tổ chức nghiên cứu khác, dự án của Liên minh Châu Âu đã trở thành một trong những chương trình quy mô lớn đầu tiên—cùng với Hoa Kỳ. Sáng kiến BRAIN và của Nhật Bản Brain / MINDS—để cố gắng giải quyết những bí ẩn của bộ não bằng cách lập bản đồ kỹ thuật số các kết nối phức tạp của nó.

Cốt lõi của HBP là một nền tảng kỹ thuật số có tên EBRAINS. Hãy nghĩ về nó như một quảng trường công cộng, nơi các nhà thần kinh học tập hợp và chia sẻ công khai dữ liệu của họ để cộng tác với một cộng đồng rộng lớn hơn. Đổi lại, người ta hy vọng nỗ lực toàn cầu có thể tạo ra các mô hình tốt hơn về hoạt động bên trong của bộ não.

Tại sao phải quan tâm? Suy nghĩ, ký ức và cảm xúc của chúng ta đều được mã hóa trong mạng lưới thần kinh của não bộ. Giống như cách Google Maps dành cho đường địa phương cung cấp thông tin chi tiết về các kiểu giao thông, bản đồ não bộ có thể đưa ra các ý tưởng về cách các mạng nơ-ron thông thường giao tiếp—và khi chúng gặp trục trặc.

Một ví dụ: Bệnh động kinh.

Song sinh động kinh ảo

Động kinh ảnh hưởng đến khoảng 50 triệu người trên toàn thế giới và được kích hoạt bởi hoạt động não bất thường. Có phương pháp điều trị y tế. Thật không may, khoảng một phần ba bệnh nhân không đáp ứng với thuốc chống động kinh và cần phẫu thuật.

Đó là một thủ tục khó khăn. Bệnh nhân được cấy ghép nhiều điện cực để tìm kiếm nguồn cơn động kinh (được gọi là vùng động kinh). Sau đó, một bác sĩ phẫu thuật sẽ cắt bỏ những phần não đó, với hy vọng làm im lặng những cơn bão sét thần kinh không mong muốn và giảm thiểu tác dụng phụ.

Cuộc phẫu thuật là một “sự thay đổi lớn trong cuộc chơi” đối với những người mắc bệnh động kinh không thể chữa khỏi, nói Tiến sĩ Aswin Chari tại Đại học College London, người không tham gia vào nghiên cứu. Nhưng quy trình này chỉ có tỷ lệ thành công khoảng 60%, phần lớn là do vùng gây động kinh rất khó xác định.

“Trước khi phẫu thuật có thể diễn ra, bệnh nhân phải được đánh giá trước phẫu thuật để xác định xem liệu và cách điều trị phẫu thuật có thể ngăn chặn cơn động kinh của họ mà không gây ra các khiếm khuyết về thần kinh hay không,” nói Jirsa và cộng sự.

Phương pháp hiện tại dựa trên vô số lần quét não. Ví dụ, MRI (chụp cộng hưởng từ) có thể lập bản đồ cấu trúc chi tiết của não. Điện não đồ (electroencephalography) ghi lại các mẫu điện của não bằng các điện cực được đặt ở vị trí chiến lược trên da đầu.

SEEG (đo điện não đồ lập thể) là thợ săn cơn động kinh tiếp theo. Tại đây, có tới 16 điện cực được đặt trực tiếp vào hộp sọ để theo dõi các khu vực đáng ngờ trong tối đa hai tuần. Phương pháp này, trong khi mạnh mẽ, không hoàn hảo. Hoạt động điện của não phát ra tiếng vo vo ở các tần số khác nhau. Giống như một cặp tai nghe cơ bản, SEEG ghi lại hoạt động não bộ ở tần số cao nhưng bỏ qua “âm trầm”—quang sai tần số thấp đôi khi được thấy trong các cơn động kinh.

Trong nghiên cứu mới, nhóm đã tích hợp tất cả các kết quả kiểm tra này vào mô hình Bệnh nhân Động kinh Ảo được xây dựng trên nền tảng Virtual Brain. Nó bắt đầu với những hình ảnh về não của mỗi bệnh nhân từ các lần chụp cộng hưởng từ và chụp cắt lớp vi tính - những hình ảnh sau này theo dõi các đường cao tốc chất trắng kết nối các vùng não. Dữ liệu, khi được kết hợp với các bản ghi SEEG, được cuộn lại thành các bản đồ được cá nhân hóa với các “nút”—các phần của bộ não được kết nối chặt chẽ với nhau.

Những bản đồ được cá nhân hóa này trở thành một phần của quy trình sàng lọc trước phẫu thuật mà bệnh nhân không phải nỗ lực hay căng thẳng thêm.

Bằng cách sử dụng mô phỏng dựa trên máy học, nhóm có thể xây dựng một “bản sao kỹ thuật số” mô phỏng gần đúng cấu trúc, hoạt động và động lực não bộ của một người. Trong một thử nghiệm hồi cứu đối với 53 người bị động kinh, họ đã sử dụng những bộ não ảo này để tìm kiếm vùng não chịu trách nhiệm cho các cơn động kinh của mỗi người bằng cách kích hoạt hoạt động giống như động kinh trong bộ não kỹ thuật số. Thử nghiệm nhiều ca phẫu thuật ảo, nhóm đã tìm ra các khu vực cần loại bỏ để có kết quả tốt nhất.

Trong một ví dụ, nhóm đã tạo ra một bộ não ảo cho một bệnh nhân đã cắt bỏ 19 phần não để loại bỏ cơn co giật của anh ta. Sử dụng phẫu thuật mô phỏng, kết quả ảo phù hợp với kết quả thực tế.

Nhìn chung, các mô phỏng bao gồm toàn bộ bộ não. Chúng là tập bản đồ được cá nhân hóa của 162 vùng não với độ phân giải khoảng một milimét vuông—gần bằng kích thước của một hạt cát nhỏ. Nhóm đã làm việc để tăng độ phân giải lên hàng nghìn lần.

Một tương lai được cá nhân hóa

Thử nghiệm động kinh đang diễn ra EPINOV đã tuyển dụng hơn 350 người. Các nhà khoa học sẽ theo dõi kết quả của họ trong một năm để xem liệu bộ não thay thế kỹ thuật số có giúp họ không bị co giật hay không.

Mặc dù đã có một thập kỷ nghiên cứu, nhưng vẫn còn quá sớm để sử dụng các mô hình não ảo để điều trị các chứng rối loạn. Đối với một, các kết nối thần kinh thay đổi theo thời gian. Mô hình bệnh nhân động kinh chỉ là một bức ảnh chụp nhanh và có thể không nắm bắt được tình trạng sức khỏe của họ sau khi điều trị hoặc các sự kiện khác trong cuộc sống.

Nhưng Virtual Brain là một công cụ mạnh mẽ. Ngoài bệnh động kinh, nó được thiết lập để giúp các nhà khoa học khám phá các chứng rối loạn thần kinh khác, chẳng hạn như bệnh Parkinson hoặc bệnh đa xơ cứng. Cuối cùng, Jirsa nói, đó là tất cả về sự hợp tác.

“Y học thần kinh điện toán cần tích hợp dữ liệu não có độ phân giải cao và tính đặc hiệu của bệnh nhân,” ông nói. “Cách tiếp cận của chúng tôi chủ yếu dựa vào các công nghệ nghiên cứu trong EBRAINS và chỉ có thể thực hiện được trong một dự án hợp tác quy mô lớn như Dự án Não người.”

Ảnh: KOMMERS / Unsplash