3D atlas spojuje pitvu mozku a zobrazování pro podrobné mapování bílé hmoty

BraDiPho (Brain Dissection Photogrammetry) je inovativní nástroj pro studium spojení bílé hmoty v lidském mozku. Realistickou mapu vyvinula skupina výzkumníků z University of Trento, Provinční zdravotnické služby v Trentu, Fondazione Bruno Kessler a University of Bordeaux a Sherbrooke.

Publikovaný příspěvek informuje o výsledcích více než 5leté spolupráce a představuje nový nástroj, který vědecká komunita lze použít k přesné integraci dat ex vivo pitvy a in vivo traktografických dat. Tyto dvě komplementární techniky nebyly dosud nikdy integrovány do studia spojení lidské bílé hmoty, což potvrzuje nový výzkumný trend, kde se sbíhají multidisciplinární kompetence, v tomto případě klinická neurověda a umělá inteligence.

Studie otevírá neurochirurgii nové hranice v léčbě mozkových nádorů a přístupu k degenerativním neurologickým poruchám a v neurorehabilitaci k využití potenciálu plasticity mozku.

BraDiPho byl představen v příspěvku zveřejněno v Příroda komunikaces Laurou Vavassori jako první autorkou. Je doktorandkou v Centre for Brain/Mind Sciences (Cimec) na univerzitě v Trentu.

Přijetím interdisciplinárního přístupu, který kombinuje klinickou neurovědu, umělou inteligenci a neuroanatomii, výzkumnou práci koordinoval Silvio Sarubbo, profesor z Centra lékařských věd (Cismed), Cimec a oddělení buněčné, výpočetní a integrativní biologie (Cibio) UniTrento a ředitel neurochirurgické operační jednotky v nemocnici Santa Chiara v Trentu. Paolo Avesani, vedoucí Neuroinformatické laboratoře (NILab) Centra pro rozšířenou inteligenci Fondazione Bruno Kessler; a Laurent Petit, výzkumník na univerzitě v Bordeaux. Spolupráce mezi operačními jednotkami neurochirurgie a anatomické patologie, které vedl Mattia Barbareschi, profesor na Cismed a oddělení Cibio, sehrála klíčovou roli, zejména pro laboratoře a anatomické vzorky, které zpřístupnily.

Silvio Sarubbo vysvětluje inovaci, která staví Trento jako globální referenční bod, pomocí účinné metafory: the lidský mozek je svět a BraDiPho je 3D mapa, která umožňuje profesionálům identifikovat dálnice mozkových funkcí a přesně se orientovat při přípravě neurochirurgických postupů nebo při studiu a výuce anatomie neuronů.

Tento nástroj slouží jako průvodce ve výzkumu bílé hmoty, v oblasti, ve které jsou Itálie a Evropa lídry, a otevírá nové terapeutické perspektivy jak v neuroonkologii, tak v neuromodulaci, „uznávané jako jedna z nových hranic pro léčbu různých neurologických a psychiatrických onemocnění“.

Výchozí bod

„Znalost spojovacích struktur mozku je v klinickém prostředí velmi důležitá a vědecká komunita tvrdě pracuje na rozšíření těchto znalostí,“ vysvětluje Sarubbo.

„Především se snažíme pracovat co nejméně invazivním způsobem. V posledních dvaceti letech se k rekonstrukci vláknitých drah hojně využívala difúzní MRI traktografie: tato technologie vypočítává koeficient difúze ve vodě v bílé hmotě a vrací odvozený obraz.“

„Tato technologie má však určitá omezení a produkuje mnoho falešně pozitivních výsledků. Pro ověření výsledků je proto nutné vrátit se k základní anatomii. Dosud jediný způsob, jak toho dosáhnout, byly mikrodisekce, což znamená pitvu tkání ex-vivo v laboratoři.“

Tisíce obrázků vrací 3D model

Jak vědci vysvětlují, problémem byl dosud nedostatek způsobu, jak integrovat ex-vivo do prostoru in-vivo, a to byl výchozí bod výzkumu. Dokument je ve skutečnosti příběhem o tom, jak týmy Sarubbo a Avesani tento problém vyřešily a dokázaly věrně reprodukovat ex-vivo anatomii virtuálním způsobem. Dokázali to s BraDiPho.

„Poprvé tento nástroj umístí anatomický vzorek do radiologického prostoru,“ říká neurochirurg. „Nyní se anatomie ex-vivo a in-vivo mohou sloučit a my můžeme porovnávat, protínat je a provádět kvantitativní měření: zjednodušeně řečeno provést hodnocení, které není jen kvalitativní (tedy vizuální), ale také kvantitativní.

„Místo toho, abychom pořídili jeden snímek pitvy preparátu, pořídíme tisíce v různých časech. Mluvíme o tisících fotografií pořízených dvěma kamerami s velmi vysokým rozlišením, které pořídí jeden snímek v každém stupni napříč 360 stupni, z různých úhlů, které se také díky umělé inteligenci stanou 3D modelem anatomického preparátu ve velmi vysokém rozlišení. Tento model lze kombinovat s magnetickou rezonancí.“

Role umělé inteligence

„Umělá inteligence,“ připomíná Avesani, „rozhodně přispívá k individuální rekonstrukci mozkové konektivity a umožňuje personalizovanou analýzu vláknových sítí a jejich anatomických variací. Ale víme, že zejména v klinické nastaveníjeho výsledky musí být interpretovatelné a vysvětlitelné. Fotogrammetrické modely ex-vivo disekce mozku poskytují základní anatomickou referenci, která lékařům umožňuje zasadit traktografii do kontextu a vědoměji integrovat data generovaná umělá inteligence.“

„Pokud se podíváme na budoucnost personalizované medicíny,“ pokračuje Avesani, „jedním z klíčových problémů je rozlišit mezi vnitřními meziindividuálními rozdíly a patologickými odchylkami od kanonického modelu. Umělá inteligence je základním nástrojem k řešení tohoto problému díky své schopnosti integrovat a analyzovat vícerozměrná a vysoce komplexní data.“

Nové hranice pro chirurgii, kliniku a výuku

Doposud bylo převedeno do fotogrammetrie 12 anatomických vzorků a jsou dostupné online zdarma pro celou vědeckou komunitu. V článku, říká Sarubbo, představujeme „novou metodu ověřování anatomických informací a jejich certifikace: všechny laboratoře na světě si budou moci stáhnout anatomické pitvy a traktografické rekonstrukce, které jsme použili jako příklad.

„Na kterémkoli neurochirurgickém oddělení na světě,“ pokračuje, „neurochirurg může stáhnout modely a superponovat nádor případu, který budou operovat, vidět jej ve strukturálním kontextu, naučit se jeho anatomii a lépe naplánovat strategii léčby.“

Skutečná mapa, která provede ruce neurochirurgů funkčními systémy bez rizika jejich poškození. Sarubbo vysvětluje: „Je to skutečný atlas mozku, zdroj pro srovnání ex-vivo a in-vivo a podstatné zrekonstruování skutečné anatomie, a je velmi užitečné plánovat a studovat postupy, ale také učit budoucí lékaře a specialisty. Tento nástroj jsme již k tomuto účelu použili na univerzitě v Trentu při kurzu Anatomie mozkových funkcí.“

Ale vědět přesně, jak je lidský mozek vyroben, znamená také umět jednat na jiných frontách. Sarubbo říká: „Tato technologie přesahuje akademické prostředí. Znamená to také možnost činit chirurgická rozhodnutí. Z klinického hlediska, například při léčbě některých neurologických poruch, je velmi užitečné vědět, která část mozku degeneruje jako první a kde zasáhnout, aby se regenerovala, stimulovala nebo neuromodulovala.“

„Neuromodulace je novou hranicí v léčbě různých neurologických onemocnění, jako jsou poruchy hybnosti, jako je Parkinsonova choroba. Léčba v těchto případech zahrnuje například stimulaci hlubokých mozkových struktur. Mnoho aspektů jejich propojení se zbytkem lidského mozku však musí být ještě prozkoumáno, aby se dále zlepšily terapeutické výsledky. Důležité je vědět, co je potřeba tímto způsobem přesně modulovat.“