Wirtualny symulator ludzkiego mózgu odkrywa źródła zaburzeń

Ironia poznawcza polega na tym, że sam proces myślowy jest niewystarczający, by człowiek mógł tworzyć teorie na temat działania narządu tak złożonego jak mózg. Istnieją jednak modele komputerowe, które potrafią symulować konsekwencje teorii, rozpoznawać problemy i formułować nowe teorie testowane przez neuronaukowców.

W ramach programu The Human Brain Project (HBP) wykorzystano wirtualny mózg i metodę symulacji na dużą skalę, poszerzając nasze zrozumienie tego, jak powstają tzw. sieci stanu spoczynkowego. Za pomocą badania elektroencefalograficznego (EEG) i rezonansu magnetycznego (MRI) wykazano, że mózg człowieka jest aktywny nawet wtedy, gdy nie angażuje się w żadną konkretną czynność. Dzięki symulacjom mózgu naukowcy wywnioskowali, że te rytmiczne sieci powstają spontanicznie w wyniku interakcji dużych grup komórek nerwowych w istocie białej mózgu.

W poszukiwaniu wzorców

Mózg człowieka jest zbudowany z około 86 miliardów komórek nerwowych tworzących 1 biliard połączeń. Z kolei komórki nerwowe i ich połączenia są zbudowane z jeszcze mniejszych elementów, takich jak kanały jonowe i kolce, które posiadają szereg właściwości funkcjonalnych. Symulacja pracy mózgu na tym poziomie wymagałaby zmierzenia wszystkich subtelnych właściwości tych składowych.

Tymczasem moc obliczeniowa komputerów jest wciąż zbyt mała, by można było wykonać takie obliczenia w rozsądnym czasie. Platforma Brain Simulation Platfrom (BSP), stworzona na potrzeby projektu HBP, oferuje zespołom badaczy dostęp do silników symulacyjnych działających na różnych poziomach abstrakcji – począwszy od modelowania małych objętości, przez wysoką szczegółowość, do modeli zredukowanych, choć wciąż symulujących cały mózg i jego dynamikę. Przykładem tego ostatniego modelu symulacji jest wirtualny mózg, The Virtual Brain. „Naszym celem nie jest precyzyjna symulacja mózgu, a jedynie odkrycie ogólnych wzorców interakcji pomiędzy poszczególnymi elementami, podobnych do tych obserwowanych w stadzie ptaków”, tłumaczy prof. Petra Ritter, która kieruje pracami prowadzonymi w ramach projektu Virtual Brain, łącząc je z bardziej szczegółowymi symulatorami na platformie BSP.

Badacze formułują teorie, które następnie testują poprzez modelowanie komputerowe, dzieląc mózg na obszary. Ponieważ wiele szczegółów nie zostało dotąd poznanych, albo zostało zaledwie ogólnie opisanych, badacze wykorzystują metodę EEG i fMRI obrazowania mózgu, aby ograniczyć swoje modele. Te symulacje umożliwiają oszacowanie skali połączeń pomiędzy obszarami mózgu i uzyskanie tak zwanych konektomów (siły interakcji pomiędzy różnymi obszarami mózgu), pozwalając badaczom precyzyjnie przewidzieć aktywność mózgu.

„Interesują nas funkcje poznawcze wyższego rzędu, takie jak inteligencja, podejmowanie decyzji, pamięć i uczenie się, i na tej podstawie chcemy ustalić przyczyny zaburzeń i zmapować strategie doskonalenia”, tłumaczy prof. Ritter.

Jak dotąd projekt pomógł między innymi poprawić zrozumienie takich zjawisk jak rekonwalescencja po udarze, przewidywanie i charakter napadów padaczkowych, postęp choroby Alzheimera oraz funkcjonalne konsekwencje guzów mózgu.

Platforma Virtual Brain typu open source jest ogólnodostępna do pobrania, a nawet modyfikowania.

Cała nadzieja w „wirtualnym człowieku”

Choroby neurodegeneracyjne należą obecnie do najbardziej palących problemów współczesnych społeczeństw. Przewiduje się, że w 2030 r. na demencję chorować będzie 14 milionów Europejczyków. Oprócz obciążenia dla samych chorych oznacza to również, że do tego roku UE wyda na ten cel ponad 250 mld euro.

Ponadto jeden na sześciu mieszkańców UE cierpi obecnie na choroby psychiczne, takie jak choroba afektywna dwubiegunowa, schizofrenia, depresja, zaburzenia lękowe, zespół stresu pourazowego, ADHD czy zaburzenia związane z nadużywaniem alkoholu i narkotyków, a ten odsetek ciągle się zwiększa. Dzisiaj opieka zdrowotna, ubezpieczenia społeczne i spadek zatrudnienia/produktywności kosztują UE 620 mld euro rocznie. Typowe metody leczenia tych zaburzeń ograniczają się do farmakoterapii, co tłumi objawy zamiast leczyć ich przyczynę.

Podczas gdy mechanizmy leżące u podstaw tych zaburzeń pozostają niejasne, dostępne dane coraz częściej wskazują na istnienie złożonych systemowych i fizjologicznych powiązań trudnych do zbadania przy użyciu samych tylko metod doświadczalnych. „Dzięki symulacji całego mózgu, a w przyszłości również symulacji całego ciała, będziemy mogli lepiej zrozumieć cały organizm człowieka. »Wirtualny człowiek« pomógłby nam w opracowaniu spersonalizowanych interwencji nakierowanych na pewne kombinacje czynników genetycznych, metabolicznych i neuronalnych odpowiedzialnych za zaburzenia mózgu”, podsumowuje prof. Ritter.