Изследователи от Пен използват науката за мрежата, за да установят източника на гърчове

0
458

За 1/3 от всички пациенти с епилепсия, които не реагират на медикаменти, алтернативата е да се намери малък клъстер от неврони, които действат като семе на аберантната електрическа активност на пристъпа и хирургически я отстраняват. За съжаление подобни операции често не успяват да донесат облекчение. Способността за надеждно определяне на анатомичния източник на пристъпи, различни за всеки пациент, остава неуловим.

Изследователи от Училището по инженерство и приложна наука на Университета в Пенсилвания и Медицинската гимназия „Перелман“ търсят начини за прецизиране на този процес, като разглеждат мрежи от електрическа активност в мозъка точно преди началото на конфискация.

Използвайки данните от мозъка, получени от 22 пациенти с епилепсия с имплантирани електроди, изследователите са разработили редица алгоритми, които могат да предскажат къде в мозъка ще възникне пристъп и кои групи неврони най-вероятно ще се разпространят, докато растат.

Такива алгоритми биха могли да осигурят по-обективен начин за идентифициране на хирургическите цели, като се подобри степента на успеваемост на такива интервенции.

И тъй като данните дават и обобщен модел за това как пристъпите се развиват и разпространяват чрез невронни мрежи, те могат също така да информират по-малко инвазивни форми на лечение. Имплантируемо устройство, например, може да наблюдава тези предупредителни знаци и автоматично да доставя прецизни електрически импулси, които биха неутрализирали пристъпа преди да се прояви.

Изследването е било ръководено от Даниел Басет, асистент на Скирканих за иновации в Пен Инженеринг; Брайън Лит, професор по неврология в Училището по медицина и биоинженерство на Penn’s Perelman в Penn Engineering; и Анкит Камбати, студент в лабораторията в Лит.

„Като картографираме мрежата от дейности в мозъка и как се променя с течение на времето“, каза Басет, „ние се стремим да определим количествено преконфигурирането на тази мрежа, което води до различни етапи на пристъпи“.

„Използвайки романските алгоритми, които сме генерирали, за да анализираме пристъпите в различни зони“, каза Камбати, „можем да отговорим на въпроси като: „В коя зона започва пристъпът?“ и „В коя зона започва да се разпространява?“.“

В основата на откритията на изследователския екип е Международният портал за електрофизиология на епилепсията, основан от Litt; Захарий Ивс, професор и сътрудник на Факултета по маркетинг на Марковиц в катедра „Компютърни и информационни науки“ на Пен Инженеринг; и Грегъри Уоръл, невролог в клиниката на Майо. Тя е създадена, за да събира директни мозъчни записи от пациенти с епилепсия по целия свят.

Всеки пациент в изследването има между 80 и 100 електрода, имплантирани в областите на мозъка, които предполагат предварителни тестове, като източници на припадъци. Електродите индиректно записват напрежението на мозъчната активност в невроните, които седят по-горе.

В това проучване изследователите са използвали записи от 88 гърчове от 22 пациенти.

„Локализирането на епилептичните мрежи е едно от най-големите предизвикателства, които имаме при лечението на резистентната към лекарства епилепсия“, казва Лит, който също е директор на Центъра на Пен Епилепсия. „Привеждането на д-р Басет и нейния екип да работят с нас по тази задача има огромен потенциал да помогне на нашите пациенти.“

Научните интереси на Басет включват прилагане на мозъчни прозрения от мрежовата наука. В по-ранната си работа тя и колегите разработиха начин да илюстрират функционалната връзка между големи групи неврони, като сравняват сходството на тяхната дейност с течение на времето. Сходството между моделите на активиране на две големи групи неврони предполага степента, в която те са в комуникацията.

„Тези нови изчислителни техники ни позволяват да видим как различните части на мозъка комуникират една с друга.“, каза Басет. „Критично, можем да видим как тези комуникационни модели се променят, когато мозъкът промени своята дейност. Тази нова способност предлага фундаментално разбиране на функционалните връзки, които водят до пристъп“.

Тъй като географската прогресия на изземването на всеки пациент е различна, изследователите са се стремили да намерят някои общи характеристики в мрежовата структура на участващите невронни групи. Докато местоположението на източника на припадъка може да се промени от човек на човек, начина, по който се разпространява анормалната електрическа активност от там, може да има генерализирани модели. След това изследователите биха могли да работят назад от тези модели, за да идентифицират по-добре източника или да разработят начини за прекъсване на прогресията, за да спрат прихващането в своите песни.

Изследователите показаха, че могат да предвидят къде да започне изземването въз основа само на структурата на мрежата.

„Ние показваме, че има висока степен на съответствие между някои топологични характеристики, които предсказват мозъчните региони, които инициират пристъпи“, каза Камбати. „По-конкретно, можем да използваме мозъчната активност преди конфискация, за да определим регионите, които са най-вече гъсто свързани помежду си, тъй като те най-вероятно ще бъдат там, където ще започне конфискацията“.

Подобни прозрения показаха и регионите, за които е вероятно да се разпространява анормална активност.

„Преди и по време на конфискацията,“ каза Khambhati, „регионът на мозъка, от който възниква припадъкът, си остава гъсто взаимосвързан, но това, което откриваме, е, че при започване на изземването регионите, които са по-малко гъсто свързани, преконфигурират много бързо. Вярваме, че бързото преконфигуриране е сигнал, че изземването ще се прояви. “

Изследователите смятат, че алгоритмите, базирани на тези мрежови взаимоотношения, могат веднага да помогнат за определяне на хирургическите цели в мозъците на пациентите и в крайна сметка да информират за имплантируеми устройства, които могат да неутрализират пристъпите преди да се разпространят.

SHARE

NO COMMENTS

LEAVE A REPLY