Tien jaar geleden werd het Human Brain Project gelanceerd met een hemelsbreed doel: het digitaliseren van een menselijk brein.

Het doel was niet om een ​​gemiddeld brein te construeren uit groepen mensen. Het was eerder om delen van iemands unieke neurale verbindingen te repliceren in een gepersonaliseerde virtuele hersentweeling.

De implicaties waren enorm: gesimuleerde hersenen zouden cruciale aanwijzingen kunnen geven om enkele van de meest verontrustende neurologische ziekten te helpen oplossen. In plaats van diermodellen te gebruiken, vertegenwoordigen ze misschien beter de hersenen van Alzheimer, of een van mensen met autisme of epilepsie.

Het miljardenproject was eerste stuitte op veel scepsis. Maar toen het project vorige maand werd afgerond, bereikte het een mijlpaal. In een studie gepubliceerd in januari, toonden de teams aan dat virtuele hersenmodellen van mensen met epilepsie neurochirurgen kunnen helpen de hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor hun aanvallen beter op te sporen.

Elk virtueel brein maakte gebruik van een computermodel genaamd de Virtual Epileptic Patient (VEP), dat de hersenscans van een persoon gebruikt om hun digitale tweeling te creëren. Met een dosis AI simuleerde het team hoe epileptische activiteit zich over de hersenen verspreidt, waardoor het gemakkelijker wordt om hotspots te herkennen en chirurgische interventie beter te richten. De methode wordt nu getest in een lopende klinische proef EPINOV genoemd. Als het succesvol is, zal het de eerste gepersonaliseerde hersenmodelleringsmethode zijn die wordt gebruikt voor epilepsiechirurgie en kan het de weg vrijmaken voor het aanpakken van andere neurologische aandoeningen.

De resultaten zullen deel uitmaken van de erfenis van het virtuele brein (TVB), een computerplatform om gepersonaliseerde neurale verbindingen te digitaliseren. Het jagen op aanvallen is nog maar het begin. Volgens Dr. Viktor Jirsa van de Universiteit van Aix-Marseille in Frankrijk, die de inspanning leidde, kunnen deze simulaties de manier veranderen waarop we neurologische aandoeningen diagnosticeren en behandelen.

Voor alle duidelijkheid: de modellen zijn geen exacte replica's van een menselijk brein. Er is geen bewijs dat ze op enigerlei wijze "denken" of bewust zijn. In plaats daarvan simuleren ze gepersonaliseerde hersennetwerken - dat wil zeggen, hoe het ene hersengebied met het andere 'praat' - op basis van afbeeldingen van hun bedrading.

"Naarmate het bewijsmateriaal zich ophoopt ter ondersteuning van de voorspellende kracht van gepersonaliseerde virtuele hersenmodellen, en naarmate methoden worden getest in klinische onderzoeken, kunnen virtuele hersenen in de nabije toekomst de klinische praktijk informeren", aldus Jirsa en collega's. schreef.

Biologische naar digitale hersenen

Grootschalige projecten voor het in kaart brengen van de hersenen lijken nu triviaal. Van die die verbindingen tussen de hersenen van een zoogdier in kaart brengen tot degenen waaruit de algoritmen van de hersenen zijn afgeleid neurale bedrading, hersenkaarten zijn uitgegroeid tot meerdere atlassen en 3D-modellen die iedereen kan verkennen.

Flashback naar 2013. AI voor het ontcijferen van de hersenen was slechts een droom, maar een droom die al werd nagestreefd door een slordige startup die nu bekend staat als DeepMind. Neurowetenschappers jaagden met succes op de neurale code - de algoritmen van de hersenen - maar in onafhankelijke laboratoria.

Wat als we die inspanningen bundelen?

Betreed het Human Brain Project (HBP). Met meer dan 500 wetenschappers verspreid over 140 universiteiten en andere onderzoeksinstellingen werd het project van de Europese Unie een van de eerste grootschalige programma's - samen met het Amerikaanse  BRAIN-initiatief en Japan Hersenen/GEESTEN- om te proberen de mysteries van de hersenen op te lossen door de ingewikkelde verbindingen digitaal in kaart te brengen.

De kern van het HBP is een digitaal platform genaamd EBRAINS. Zie het als een openbaar plein, waar neurowetenschappers hun gegevens verzamelen en openlijk delen om samen te werken met een bredere gemeenschap. Het is te hopen dat de wereldwijde inspanning op zijn beurt betere modellen van de innerlijke werking van de hersenen kan genereren.

Waarom zorgen? Onze gedachten, herinneringen en emoties zijn allemaal gecodeerd in de neurale netwerken van de hersenen. Net zoals hoe Google Maps voor lokale wegen inzicht geeft in verkeerspatronen, kunnen hersenkaarten ideeën opwekken over hoe neurale netwerken normaal communiceren en wanneer ze misgaan.

Een voorbeeld: Epilepsie.

De virtuele epilepsie-tweeling

Epilepsie treft wereldwijd ongeveer 50 miljoen mensen en wordt veroorzaakt door abnormale hersenactiviteit. Er zijn medische behandelingen. Helaas reageert ongeveer een derde van de patiënten niet op anti-epileptica en moet ze worden geopereerd.

Het is een zware procedure. Patiënten worden geïmplanteerd met meerdere elektroden om de bron van de aanvallen op te sporen (de epileptogene zone genoemd). Een chirurg knipt vervolgens die delen van de hersenen weg, in de hoop ongewenste neurale bliksemstormen tot zwijgen te brengen en bijwerkingen te minimaliseren.

De operatie is een "enorme game changer" voor mensen met onbehandelbare epilepsie, zei Dr. Aswin Chari van University College London, die niet betrokken was bij het onderzoek. Maar de procedure heeft slechts een slagingspercentage van ongeveer 60 procent, grotendeels omdat de epileptogene zone moeilijk te lokaliseren is.

"Voordat de operatie kan plaatsvinden, moet de patiënt een preoperatieve evaluatie ondergaan om vast te stellen of en hoe een chirurgische behandeling hun aanvallen kan stoppen zonder neurologische tekorten te veroorzaken," zei Jirsa en collega's.

De huidige methode is gebaseerd op een groot aantal hersenscans. MRI (magnetic resonance imaging) kan bijvoorbeeld gedetailleerde hersenstructuren in kaart brengen. EEG (elektro-encefalografie) legt de elektrische patronen van de hersenen vast met strategisch geplaatste elektroden over de hoofdhuid.

SEEG (stereo-elektro-encefalografie) is de volgende aanvalsjager. Hier worden maximaal 16 elektroden rechtstreeks in de schedel geplaatst om verdachte gebieden tot twee weken lang te bewaken. De methode, hoewel krachtig, is verre van perfect. De elektrische activiteit van de hersenen "zoemt" op verschillende frequenties. Net als een gewone koptelefoon legt SEEG hoogfrequente hersenactiviteit vast, maar mist de "bas" - laagfrequente aberraties die soms worden gezien bij aanvallen.

In de nieuwe studie integreerde het team al deze testresultaten in het Virtual Epileptic Patient-model dat is gebouwd op het Virtual Brain-platform. Het begint met afbeeldingen van de hersenen van elke patiënt op basis van MRI- en CT-scans - de laatste sporen de wittestofsnelwegen op die de hersengebieden met elkaar verbinden. De gegevens, in combinatie met SEEG-opnames, worden opgerold tot gepersonaliseerde kaarten met "knooppunten" - delen van de hersenen die sterk met elkaar verbonden zijn.

Deze gepersonaliseerde kaarten worden onderdeel van de preoperatieve screeningsroutine, zonder extra inspanning of stress voor de patiënt.

Met behulp van op machine learning gebaseerde simulaties kan het team een ​​'digitale tweeling' bouwen die ruwweg de hersenstructuur, activiteit en dynamiek van een persoon nabootst. In een retrospectieve test van 53 mensen met epilepsie gebruikten ze deze virtuele hersenen om het hersengebied op te sporen dat verantwoordelijk is voor de aanvallen van elke persoon door aanvalachtige activiteit in de digitale hersenen te activeren. Het team testte meerdere virtuele operaties en vond regio's die moesten worden verwijderd voor het beste resultaat.

In één voorbeeld genereerde het team een ​​virtueel brein voor een patiënt bij wie 19 delen van zijn hersenen waren verwijderd om hem van zijn aanvallen te verlossen. Met behulp van gesimuleerde chirurgie kwamen de virtuele resultaten overeen met de uitkomst van de werkelijke.

Over het algemeen omvatten de simulaties het hele brein. Het zijn gepersonaliseerde atlassen van 162 hersengebieden met een resolutie van ongeveer een vierkante millimeter, ongeveer de grootte van een kleine zandkorrel. Het team werkt al aan een duizendvoudige verhoging van de resolutie.

Een gepersonaliseerde toekomst

De lopende epilepsiestudie EPINOV heeft meer dan 350 mensen gerekruteerd. Wetenschappers zullen hun resultaten een jaar lang opvolgen om te zien of een digitaal surrogaatbrein hen helpt vrij te blijven van aanvallen.

Ondanks een decennium van werk, is het nog vroeg voor het gebruik van virtuele hersenmodellen om aandoeningen te behandelen. Ten eerste veranderen neurale verbindingen in de loop van de tijd. Een model van een epilepsiepatiënt is slechts een momentopname en geeft mogelijk niet hun gezondheidstoestand weer na behandeling of andere levensgebeurtenissen.

Maar het virtuele brein is een krachtig hulpmiddel. Naast epilepsie zal het wetenschappers helpen bij het onderzoeken van andere neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Parkinson of multiple sclerose. Uiteindelijk, zei Jirsa, draait het allemaal om samenwerking.

"Computationele neurogeneeskunde moet hersengegevens met hoge resolutie en patiëntspecificiteit integreren", zegt hij zei. "Onze aanpak is sterk afhankelijk van de onderzoekstechnologieën in EBRAINS en had alleen mogelijk kunnen zijn in een grootschalig samenwerkingsproject zoals het Human Brain Project."

Krediet van het beeld: KOMMERS / Unsplash 

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/04/11/surgeons-are-simulating-whole-brains-to-pin-down-the-source-of-their-patients-seizures/