Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Во-первых, персонализированная модель мозга создается на основе собственных данных пациента об анатомии, структурных связях и активности его мозга. Посредством ряда шагов эти данные преобразуются в динамическую сетевую модель, имитирующую распространение приступов по мозгу. Высокопроизводительные вычисления и ИИ позволяют адаптировать модели мозговой сети под конкретного пациента и создать индивидуальную платформу моделирования мозга in silico для проверки клинических гипотез и разработки методов лечения. На момент написания в рамках проекта «Человеческий мозг» с целью перенести эту инновацию из лабораторий к пациентам была создана первая дочерняя компания Virtual Brain Technologies (VB Tech). Йирса рассказал нам, что, используя ВЭП в качестве своей первой технологии, VB Tech стремится разработать персонализированную технологию виртуального мозга, чтобы изменить диагностику и лечение пациентов, страдающих заболеваниями головного мозга[507].

Рисунок 42. Виртуальный мозг: реконструкция областей мозга и мест их соединения, показанных узлами (изображение предоставлено Институтом нейробиологии Inserm [InS], Марсель)

Персонализированные модели мозга могут быть использованы для прогнозирования последствий опухолей и планирования их удаления с помощью операции на головном мозге, при которой по очевидным причинам необходимо оставить как можно большую часть окружающей ткани нетронутой. Методы визуализации часто используются для планирования операции, но они слишком грубы, чтобы предсказать послеоперационные результаты из-за сложной динамики мозга.

Используя программное обеспечение с открытым исходным кодом The Virtual Brain, Ханнелора Аэртс и команда под руководством Даниэле Маринаццо смоделировали 25 отдельных сетей мозга пациентов с опухолью головного мозга и 11 контрольных. Они обнаружили, что индивидуальные модели могут точно предсказать влияние опухолей на связи мозга. Этот результат открывает возможность использования виртуального моделирования мозга для улучшения планирования операций и, как следствие, их успеха[508].

Исследователи виртуального мозга также изучают инсульты – основную причину смерти и инвалидности, когда кровоснабжение мозга нарушается, будь то кровотечение или закупорка, вызванная тромбом. Ана Солодкин из Калифорнийского университета в Ирвине и ее коллеги использовали The Virtual Brain и данные 20 человек, перенесших инсульт, а также 11 человек из контрольной группы, чтобы изучить его влияние на динамику мозга. Эти исследования дают глубокое понимание влияния четко обозначенных поражений головного мозга на общую функциональность и здоровье органа. Команда надеется понять, как сложные сети мозга реагируют на изолированный сбой некоторых узлов, а также найти наилучшие пути восстановления для отдельных пациентов[509].

Как и многие другие команды, работающие над моделированием мозга, команда из Окленда также разбирает наш самый сложный орган, по аспекту за раз. Их модель всей сердечно-сосудистой системы организма особенно актуальна, поскольку нейроны более чувствительны к кислородному голоданию, чем другие виды клеток, которые имеют низкую скорость метаболизма.

Чтобы связать свою работу с клеточным уровнем, команда работает с Мэриэнн Мартоне из Калифорнийского университета в Сан-Диего, которая возглавляет Информационную систему нейробиологии США. Мартоне интересуется, как многомасштабная визуализация мозга может помочь интегрировать данные нейробиологии по анатомии мозга, заболеваниям, молекулярной биологии и т. д., которые были получены разными исследователями на разных популяциях пациентов с использованием разных методов и разных наборов данных. Платформа, запущенная в 2008 г., предоставляет инструменты, ресурсы и стандартизированные онтологии для объединения этих разрозненных данных[510].

Рисунок 43. Кровоток через Виллизиев круг, соединяющий артерии с мозгом, смоделированный с использованием кода Питера hemeLB (compBioMed и Суперкомпьютерный центр Барселоны)

Команда из Окленда изучает церебральную ауторегуляцию – механизм обратной связи, который обеспечивает необходимое количество крови для снабжения сосудов головного мозга в зависимости от его потребности в кислороде. Сигналы нейронов и глии вызывают расширение кровеносных сосудов, в которых эндотелиальные клетки, перициты и гладкомышечные клетки действуют согласованно, чтобы доставить больше крови в нужное место вместе с кислородом и питательными веществами, а также удалить побочные продукты метаболизма мозга. Их модель может моделировать здоровую нейрососудистую связь, а также ее нарушение при гипертонии, болезни Альцгеймера и ишемическом инсульте.