Φανταστείτε ότι έχετε ένα παζλ στο οποίο απεικονίζεται ο ανθρώπινος εγκέφαλος.
Το παζλ αποτελείται από εκατοντάδες κομμάτια – κάποια που αποτυπώνουν τις κύριες περιοχές του εγκεφάλου αλλά και πολλά άλλα που αφορούν τις υποπεριοχές του. Ωστόσο έχετε στα χέρια σας μόνο τα κομμάτια του παζλ που απεικονίζουν τις κύριες περιοχές ενώ σας λείπουν όλα τα υπόλοιπα.
Μπορείτε να το λύσετε; Προφανώς και όχι. Αυτό ακριβώς συνέβαινε μέχρι σήμερα με τους άτλαντες του εγκεφάλου – οι ειδικοί έβλεπαν τη «μεγάλη εικόνα» του παζλ αλλά τους έλειπαν οι λεπτομέρειες εκείνες που κάνουν τη μεγάλη διαφορά για την ακριβή «συναρμολόγησή» του.
Τώρα όμως ένας νέος άτλαντας του ενήλικου ανθρώπινου εγκεφάλου, ο NextBrain, που παρουσιάστηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Nature», ήρθε για να βάλει… στη θέση τους όλα τα κομμάτια του παζλ προσφέροντας στους ειδικούς την πρώτη τόσο πλήρη εικόνα των εγκεφαλικών περιοχών αλλά και υποπεριοχών και ανοίγοντας διάπλατους καινούργιους δρόμους στη νευροαπεικόνιση αλλά και στην έγκαιρη διάγνωση νευροεκφυλιστικών (και όχι μόνο) νόσων.
«Αόρατες» περιοχές πλέον σε κοινή θέα
Οπως μάλιστα ανέφερε στο ΒΗΜΑ-Science ο Χουάν Γιουτζένιο Ιγκλέσιας, αναπληρωτής καθηγητής Ακτινολογίας στο Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης και στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και ερευνητής Ιατρικής Φυσικής και Βιοϊατρικής Μηχανικής στο University College του Λονδίνου (UCL), επικεφαλής αυτής της τόσο λεπτομερούς και μακρόχρονης ερευνητικής δουλειάς – απαιτήθηκαν έξι χρόνια άοκνης εργασίας και η βοήθεια της ΑΙ (χωρίς εκείνη θα απαιτούνταν δεκαετίες) –, η ίδια η δημιουργία του άτλαντα έμοιαζε με τη σύνθεση ενός παζλ.
«Οι υπάρχοντες άτλαντες του εγκεφάλου μπορούν να εντοπίσουν στις μαγνητικές τομογραφίες μόνο τις μεγάλες δομές-όπως ο ιππόκαμπος που αποτελεί το κέντρο της μνήμης και της μάθησης-, ωστόσο οι υποπεριοχές παραμένουν “αόρατες”. Αυτές όμως οι μικρότερες περιοχές διαφορετικών δομών, π.χ. του ιππόκαμπου, κάνουν τη διαφορά καθώς επηρεάζονται με διαφορετικό τρόπο από νόσους όπως η Αλτσχάιμερ. Ετσι εμείς δημιουργήσαμε κομμάτι-κομμάτι έναν αναλυτικό άτλαντα που φέρνει στο φως τις υποπεριοχές του εγκεφάλου που δεν απεικονίζονται με τις υπάρχουσες μεθόδους, δομώντας τον όπως ένα παζλ».
Σήμερα ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί ανάλυση του εγκεφάλου σε κυτταρικό επίπεδο είναι μέσω μικροσκοπίας (ιστολογίας), προφανώς όμως μια τέτοια διαδικασία αφορά αποκλειστικά εξέταση του οργάνου μετά θάνατον, γεγονός που περιορίζει σημαντικά την απόκτηση πολύτιμης γνώσης σχετικά με το πώς ο εγκέφαλος αλλάζει κατά τη διάρκεια της ζωής – κατά την ανάπτυξή του, στη φάση της γήρανσης αλλά και όταν νοσεί.
Ο NextBrain έρχεται να μετατρέψει τους υπάρχοντες περιορισμούς σε απεριόριστες δυνατότητες παρέχοντας μια χαρτογράφηση ολόκληρου του ενήλικου ανθρώπινου εγκεφάλου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση μαγνητικών τομογραφιών με λεπτομέρεια ασύλληπτη ως σήμερα – και όλα αυτά μέσα σε λίγα λεπτά. Και όλα αυτά, επίσης, δημοσίως διαθέσιμα για τους ερευνητές και γιατρούς ανά τον κόσμο.
Η διαδικασία σύνθεσης του «παζλ»
Πώς συντέθηκε όμως το μοναδικό αυτό σε λεπτομέρεια «παζλ» του εγκεφάλου; Μέσω μιας ενδελεχούς διαδικασίας που βασίστηκε αρχικώς σε μετά θάνατον ανάλυση πέντε ενήλικων εγκεφάλων. Οπως περιέγραψε ο δρ Ιγκλέσιας, «ο κάθε εγκέφαλος κατατμήθηκε σε 10.000 κομμάτια, εκ των οποίων το καθένα χρωματίστηκε με διαφορετικό χρώμα ώστε να εντοπίζονται και οι διαφορετικές εγκεφαλικές δομές. Στη συνέχεια ένα μικροσκόπιο έλαβε εικόνες όλων αυτών των δομών και στο τέλος έγινε ανασύνθεσή τους σε ένα τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο».
Πριν από αυτή τη διαδικασία οι ερευνητές διεξήγαγαν μαγνητικές τομογραφίες των πέντε εγκεφάλων ώστε να γνωρίζουν πώς ακριβώς θα κάνουν σωστά την ψηφιακή ανασύνθεσή τους – έφτιαξαν ουσιαστικώς την… εξωτερική εικόνα που έχουν τα κουτιά των παζλ και η οποία αποτελεί οδηγό για τη λύση τους.
Σε όλη αυτή τη διαδικασία πολύτιμος βοηθός αποδείχθηκε η Τεχνητή Νοημοσύνη (ΑΙ). Ο καθηγητής εξήγησε ότι «η ΑΙ μάς έσωσε από πολλή δουλειά καθώς αρχικώς ευθυγράμμισε τις εικόνες του μικροσκοπίου με τις μαγνητικές τομογραφίες, λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορές μεταξύ των δύο τεχνικών και διασφαλίζοντας ότι τα κομμάτια του εγκεφαλικού “παζλ” μπήκαν σωστά στη θέση τους χωρίς κενά ή αλληλοεπικαλύψεις. Ανέλαβε επίσης ένα μεγάλο κομμάτι της σήμανσης των διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου – εμείς κάναμε τη σήμανση μιας μόνο περιοχής ανά τέσσερις και η ΑΙ γέμισε τα κενά μεταξύ τους.
Συνολικά σημάνθηκαν 333 περιοχές του εγκεφάλου στα ψηφιακά τρισδιάστατα μοντέλα του καθενός από τους πέντε εγκεφάλους που αποτέλεσαν την “πυξίδα” μας για τη δημιουργία του άτλαντα, μια διαδικασία που επιταχύνθηκε σημαντικά από την ΑΙ διότι διαφορετικά θα χρειαζόμασταν δεκαετίες ολόκληρες για να φέρουμε εις πέρας αυτό το έργο. Η ΑΙ αποτελεί πλέον απαραίτητο βοηθό στη σύγχρονη νευροαπεικόνιση και μας επιτρέπει να κάνουμε πολύ περισσότερα πράγματα από ό,τι μπορούσαμε πριν από μια δεκαετία».
Ο άτλαντας που προέκυψε, το «παζλ» που συντέθηκε από τα πέντε μοντέλα εγκεφάλου, μπορεί να αποτελεί πια οδηγό για όλους τους ενήλικους εγκεφάλους, σημείωσε ο δρ Ιγκλέσιας – αυτό πρακτικά σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να αποκαλύψει τρομερές λεπτομέρειες «διαβάζοντας» μια μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου υγιών ή ασθενών αλλά και ατόμων που έχουν αποβιώσει.
Για να αποδειχθεί αυτή η γενική αξία του NextBrain οι ερευνητές δοκίμασαν τον άτλαντα σε χιλιάδες μαγνητικές τομογραφίες. Σε ένα πείραμα ο άτλαντας «κλήθηκε» να κάνει αυτόματη σήμανση των διαφορετικών εγκεφαλικών περιοχών σε μια δημοσίως διαθέσιμη βάση μαγνητικών τομογραφιών πολύ υψηλής ανάλυσης.
Οπως προέκυψε, ο NextBrain κατάφερε να εντοπίσει όλες τις περιοχές που είχαν προηγουμένως σημανθεί από ειδικούς, ακόμη και υποπεριοχές διαφορετικών δομών που δεν είχαν καταγραφεί ως εκείνη τη στιγμή. Σε ένα δεύτερο πείραμα, η ομάδα εφήρμοσε το μοντέλο σε περισσότερες από 3.000 μαγνητικές τομογραφίες ζώντων ατόμων με στόχο να ανακαλύψει πιθανές αλλαγές στον όγκο του εγκεφάλου που συνδέονται με τη γήρανση. Ο NextBrain επέτυχε να κάνει μια πολύ πιο λεπτομερή ανάλυση των μοτίβων της εγκεφαλικής γήρανσης σε σύγκριση με τα υπάρχοντα εργαλεία.
Από τη θεωρία στην πράξη
Ολη αυτή η υπεροχή του νέου άτλαντα μπορεί να μετουσιωθεί άμεσα σε πράξη, χάρη στον δημόσιο χαρακτήρα του, προς όφελος των επιστημόνων αλλά και των ασθενών. «Ο NextBrain επιτρέπει στους ερευνητές αλλά και στους κλινικούς γιατρούς να εξετάσουν την ανατομία του εγκεφάλου στις μαγνητικές τομογραφίες με ακρίβεια που μέχρι σήμερα μπορούσε να επιτευχθεί μόνο μέσω της ιστολογίας. Ανοίγει έτσι ένα τεράστιο νέο ”παράθυρο” μελέτης σχετικά με το πώς η δομή του εγκεφάλου αλλάζει όσο ο άνθρωπος αναπτύσσεται και γερνά αλλά και όταν ο εγκέφαλός του νοσεί.
Ο δημόσιος χαρακτήρας του άτλαντά μας θα συμβάλει στην επιτάχυνση καινούργιων ανακαλύψεων στις νευροεπιστήμες και στη μετάφραση αυτών των ανακαλύψεων σε καλύτερη διάγνωση και θεραπεία νευρολογικών και νευροεκφυλιστικών νόσων» τόνισε ο καθηγητής Ιγκλέσιας και έδωσε ένα μελλοντικό (αλλά πλέον τόσο απτό) παράδειγμα για των λόγων του το αληθές: «Ας υποθέσουμε ότι ένας ερευνητής μελετά την επίδραση ενός φαρμάκου στον ανθρώπινο εγκέφαλο και συγκεκριμένα στον ιππόκαμπο.
Με τους υπάρχοντες άτλαντες θα έβλεπε τον ιππόκαμπο ως μια ενιαία δομή. Γνωρίζουμε όμως από μελέτες σε ζώα αλλά και από αναλύσεις σε εγκεφάλους μετά θάνατον ότι ο ιππόκαμπος αποτελείται από πολλές διαφορετικές υποπεριοχές με διαφορετική λειτουργία και συνδεσιμότητα μεταξύ τους, η καθεμία εκ των οποίων επηρεάζεται διαφορετικά από νόσους όπως η Αλτσχάιμερ. Με τον NextBrain ο ερευνητής θα μπορεί πλέον να δει καθαρά και πολύ πιο γρήγορα ποια επίδραση έχει η εκάστοτε θεραπεία σε κάθε υποπεριοχή του ιππόκαμπου, γεγονός καίριο για να κατανοήσει την αποτελεσματικότητά της».
Τα επόμενα βήματα της ερευνητικής ομάδας, διά στόματος του καθηγητή, στρέφονται προς δύο κατευθύνσεις: «Σήμερα ο NextBrain μπορεί να είναι πολύ αποτελεσματικός στο “διάβασμα” μαγνητικών τομογραφιών εγκεφάλων με ατροφία καθώς και στην ανάλυση μικρών περιοχών του εγκεφάλου. Ωστόσο δεν έχει αποτελεσματικότητα σε περιπτώσεις μεγάλων όγκων του εγκεφάλου ή εκτεταμένων εγκεφαλικών επεισοδίων. Θέλουμε λοιπόν να τον καταστήσουμε “συμβατό” με τέτοιες μεγάλες βλάβες. Επιπροσθέτως ο άτλαντάς μας είναι πολύ ακριβής στην “ανάγνωση” μαγνητικών τομογραφιών μέσης ως υψηλής ανάλυσης και δουλεύουμε ώστε να του προσφέρουμε την ικανότητα να διαβάζει τομογραφίες χαμηλότερης ανάλυσης οι οποίες συχνά διεξάγονται σε κλινικό επίπεδο».
Ως φαίνεται πάντως από τα όσα διαβάσατε, με τον NextBrain η ανάλυση του ανθρώπινου εγκεφάλου περνά όντως σε… next επίπεδο συνθέτοντας ένα νέο «παζλ» διάγνωσης και θεραπείας που θα καταστήσει για τους επιστήμονες την επίλυση του «γρίφου» πλήθους νόσων… παιχνιδάκι.
BrainSTEM: Χαρτογράφηση του κυτταρικού «τοπίου»
Εναν από τους πιο αναλυτικούς χάρτες σε επίπεδο μεμονωμένων κυττάρων του αναπτυσσόμενου ανθρώπινου εγκεφάλου δημιούργησαν ερευνητές της Ιατρικής Σχολής Duke-NUS στη Σιγκαπούρη, όπως ανέφεραν μέσα στον Νοέμβριο στο επιστημονικό περιοδικό «Science Advances».
Ο άτλας BrainSTEM (Brain Single-cell Two tiEr Mapping) «συλλαμβάνει» σχεδόν κάθε κυτταρικό τύπο, το γενετικό «αποτύπωμά» του καθώς και το πώς κάθε κύτταρο αναπτύσσεται και αλληλεπιδρά με τα υπόλοιπα. Η τεχνική αυτή μπορεί να αποτελέσει σημείο αναφοράς για την παραγωγή νευρώνων υψηλής ποιότητας στο εργαστήριο, οι οποίοι θα θεραπεύουν νευροεκφυλιστικές νόσους όπως η Πάρκινσον.
Για να καταλήξουν στη δημιουργία του άτλαντα BrainSTEM οι ερευνητές από τη Σιγκαπούρη σε συνεργασία με ειδικούς από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ στην Αυστραλία ανέλυσαν εκατοντάδες χιλιάδες κύτταρα του εμβρυϊκού εγκεφάλου ώστε να χαρτογραφήσουν ολόκληρο το κυτταρικό «τοπίο» του. Ιδιαίτερη έμφαση στη χαρτογράφηση δόθηκε στον μεσεγκέφαλο, όπου παράγονται οι ντοπαμινεργικοί νευρώνες οι οποίοι χάνονται στην Πάρκινσον.
Τα χημικά «τρέφουν» την Πάρκινσον
Αυτός ο νέος χάρτης αναφοράς του μεσεγκεφάλου μπορεί πλέον να αποτελέσει σημαντικό εργαλείο στα χέρια των επιστημόνων που ασχολούνται με τη δημιουργία ντοπαμινεργικών νευρώνων στο εργαστήριο για την ανάπτυξη κυτταρικών θεραπειών ενάντια στην Πάρκινσον, επιτρέποντάς τους να παράγουν νευρώνες που θα αντικατοπτρίζουν πιστά την ανθρώπινη βιολογία. Η ερευνητική ομάδα αναμένεται να διαθέσει δημόσια τον άτλαντά της για χρήση από τους συναδέλφους της ανά την υφήλιο.
BraDiPho: Ζουμ στην «καλωδίωση» σε 3D
Σχεδόν ταυτόχρονα με τον άτλαντα ΝextBrain, μια άλλη ομάδα, από το Πανεπιστήμιο του Τρέντο στην Ιταλία σε συνεργασία με επιστήμονες από τη Γαλλία και τον Καναδά, παρουσίασε στο επιστημονικό περιοδικό «Nature Communications» τον 3D άτλαντα BraDiPho, ένα καινοτόμο εργαλείο για τη μελέτη της λευκής ουσίας του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Οι ερευνητές πίσω από τον BraDiPho ακολούθησαν μια διεπιστημονική προσέγγιση που συνδύαζε την κλινική νευροεπιστήμη, τη νευροανατομία και την ΑΙ και δημιούργησαν έναν τρισδιάστατο χάρτη του ανθρώπινου εγκεφάλου, ο οποίος επιτρέπει στους ειδικούς να εντοπίζουν τις «οδούς» των διαφορετικών εγκεφαλικών λειτουργιών και να πλοηγούνται με ακρίβεια κατά τις νευροχειρουργικές επεμβάσεις ή κατά τη διδασκαλία της νευροανατομίας, η οποία ρίχνει φως σε νευρικές αλλά και ψυχικές διαταραχές.
Η σημασία του «οδικού δικτύου»
Οπως εξήγησε στο ΒΗΜΑ-Science η πρώτη συγγραφέας της μελέτης, υποψήφια διδάκτορας Γνωστικών Επιστημών και Επιστημών του Εγκεφάλου στο Πανεπιστήμιο του Τρέντο Λάουρα Βαβασόρι, «επί μακρόν οι νευροεπιστήμονες πίστευαν ότι οι γνωστικές λειτουργίες αλλά και η συμπεριφορά του ανθρώπου έχουν την κύρια έδρα τους στην επιφάνεια του εγκεφάλου, τον φλοιό. Γνωρίζουμε όμως πλέον ότι εξαρτώνται από την επικοινωνία των διαφορετικών εγκεφαλικών περιοχών, η οποία γίνεται μέσω δεσμίδων της λευκής ουσίας του εγκεφάλου – οι δεσμίδες αυτές αποτελούν το “οδικό δίκτυο” του εγκεφάλου μεταφέροντας πληροφορίες μεταξύ απομακρυσμένων μεταξύ τους περιοχών.
Τα τελευταία 20 χρόνια μια τεχνική που ονομάζεται μαγνητική δεσμιδογραφία (MR tractography) επέτρεψε την τρισδιάστατη απεικόνιση των νευρικών οδών του εγκεφάλου και τη χαρτογράφηση της επικοινωνίας τους σε ζώντα άτομα με χρήση μαγνητικής τομογραφίας. Παρότι το συγκεκριμένο εργαλείο είναι αρκετά ισχυρό και μη επεμβατικό, έχει περιορισμούς – μπορεί να δείξει δεσμίδες που δεν υπάρχουν ή να του διαφύγουν κάποιες υπάρχουσες».
Ετσι σήμερα η μόνη ακριβής μέθοδος για να ελεγχθούν τα αποτελέσματα της μαγνητικής δεσμιδογραφίας είναι η ιστολογική ανάλυση – αυτό απαιτεί βέβαια κατάτμηση της λευκής ουσίας του εγκεφάλου μετά θάνατον, μια διαδικασία πολύ απαιτητική από την οποία μάλιστα παράγονται «παραδοσιακά» δισδιάστατες εικόνες που, όπως είναι επόμενο, είναι πολύ δύσκολο να συγκριθούν με τις τρισδιάστατες εικόνες της δεσμιδογραφίας.
«Με τον άτλαντα BraDiPho κλείνουμε αυτό το κενό αφού για πρώτη φορά δημιουργούμε τρισδιάστατα ψηφιακά μοντέλα της λευκής ουσίας τα οποία ευθυγραμμίζονται με τη μαγνητική δεσμιδογραφία. Φέρνουμε δηλαδή κοντά δύο κόσμους που μέχρι τώρα δεν μπορούσαν να συναντηθούν, γεγονός που γεφυρώνει την παραδοσιακή ανατομία με τη σύγχρονη απεικόνιση του εγκεφάλου προσφέροντας σε κάθε επιστήμονα τη δυνατότητα να εξερευνήσει την καλωδίωση του εγκεφάλου σε 3D. Και το βασικότερο όλων είναι ότι αυτή η βάση δεδομένων είναι διαθέσιμη δωρεάν σε όλη την ερευνητική κοινότητα».
Πολλαπλές εφαρμογές
Η χρήση αυτού του προηγμένου εργαλείου στην κλινική πράξη μπορεί να είναι πολύπλευρη, σύμφωνα με την κυρία Βαβασόρι: «Η πρόσφατη κατανόηση της σημασίας της λευκής ουσίας του εγκεφάλου στη συμπεριφορά έχει οδηγήσει στον επαναπροσδιορισμό πολλών νευρολογικών αλλά και ψυχικών διαταραχών ως παθήσεις που αφορούν τη συνδεσιμότητα του εγκεφάλου (connectopathies). Οταν καταστρέφονται τα μονοπάτια της λευκής ουσίας, η ροή των πληροφοριών μεταξύ διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου διαταράσσεται, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα στην κινητικότητα, στην ομιλία, στη μνήμη, ακόμη και στην προσωπικότητα του ατόμου.
Ετσι η νέα γνώση που φέρνει ο άτλας BraDiPho μπορεί να βοηθήσει τους ειδικούς που ασχολούνται με την ψυχική υγεία· μπορεί επίσης να βοηθήσει τους νευροχειρουργούς στο να είναι πιο ακριβείς κατά τη διάρκεια επεμβάσεων στον εγκέφαλο για την αφαίρεση ενός όγκου ή ακόμη και μιας βλάβης που έχει προκληθεί από εγκεφαλικό επεισόδιο ή από επιληψία, ώστε να διαφυλάσσουν πολύτιμες οδούς επικοινωνίας του εγκεφάλου.
Ο νέος άτλαντας μπορεί επίσης να έχει σημαντικό ρόλο σε νευροεκφυλιστικές διαταραχές, όπως η νόσος του Πάρκινσον, καθώς θα ρίξει φως στον τρόπο που η εκάστοτε νόσος πλήττει το “οδικό δίκτυο” του εγκεφάλου ανοίγοντας καινούργιους δρόμους στην έρευνα, στη διάγνωση και στη θεραπεία της».
Πηγή: tovima.gr