Proiectul Creierului Uman: 6 realizări ale celui mai mare program de neuroștiință din Europa

Chiar dacă oamenii au pășit pe Lună și au trimis sonde spaţiale în tot Sistemul Solar, înțelegerea propriul nostru creier este incompletă. Nu avem cunoștințe suficiente despre modul cum structura, chimia și conectivitatea creierului interacționează pentru a genera gândurile și comportamentele noastre.

Această situaţie nu este consecinţa unei lipse de ambiție din partea cercetătorilor. Au trecut aproape 8 ani de la începutul Proiectului Creierului Uman (Human Brain Project) în Europa, care își propune să dezvăluie misterele  creierului uman.

După un început dificil, proiectul a făcut descoperiri și inovații substanțiale, relevante pentru abordarea afecțiunilor clinice și a progresului tehnologic în domeniu.

Conexiunile dintre neuroni. Credit: NIH Image Gallery/Flickr, CC BY-NC

Proiectul Creierului Uman a creat EBRAINS, o infrastructură de cercetare deschisă, bazată pe progresele și instrumentele științifice dezvoltate de echipele de cercetare ale proiectului şi care sunt puse la dispoziția comunității științifice prin intermediul unei platforme digitale partajate, pentru o cercetare colaborativă și instrumentală în domeniile enumerate mai jos:

1. Atlasul creierului uman

Proiectul a creat un atlas unic al creierului uman pe mai multe nivele, bazat pe diferitele aspecte ale organizării creierului, inclusiv structura acestuia la cea mai mică scară, funcția și conectivitatea sa. Acest atlas oferă un număr mare de instrumente pentru vizualizarea şi utilizarea datelor disponible.

Vizualizarea creierului uman folosind atlasul. Credit: Forschungszentrum Juelich/HBP

Cercetătorii pot extrage automat date din atlas folosind un instrument special pentru a efectua o simulare destinată modelarii creierului anumitor pacienți. Acest lucru poate ajuta la informarea medicilor cu privire la soluţia optimă de tratament.

2. Sinapsele din hipocamp

Folosind microscopia electronică, o tehnică de studiu a țesutului cerebral la rezoluție ultraînaltă, cercetătorii au publicat hărți detaliate 3D pentru aproximativ 25.000 de sinapse, locurile prin care circulă semnalele electrice și chimice dintre celulele creierului, din hipocampul uman. Această regiune a creierului este implicată în memorie, învățare și orientarea în spaţiu, fiind și una dintre primele zone cerebrale afectate la începutul bolii Alzheimer.

Proiectul Creierului Uman este primul care oferă o imagine detaliată a structurii sinaptice în această zonă importantă a creierului. Acest lucru ar putea permite o mai bună înțelegere a unor boli precum demența, dar şi dezvoltarea unor modele computaționale ale creierului.

3. Mâinile robotizate

Ca urmare a complexității sale, mâna omului este una dintre părțile corpului cel mai greu de imitat. În timp ce chiar și copiii mici pot ridica și deplasa obiecte, cum ar fi o ceașcă cu apă, această abilitate a fost foarte dificil de reprodus pentru mâinile unui robot.

The Shadow Robot Company, care participă la Proiectul Creierului Uman, proiectează și dezvoltă mâini robotizate care să imite mâna umană cât mai mult posibil.

Una dintre invențiile recente ale companiei este prima mână telerobot cu atingere din lume (vezi videoclipul de mai sus). Această mână robotizată are 129 de senzori, 24 de articulații și mișcări foarte asemănătoare cu cele ale mâinii umane.

Această invenție va fi importantă în protetică și, de asemenea, în industrie, inclusiv în producție, explorarea spațială, medicină și lucrul în medii periculoase, precum ar fi deșeurile nucleare și substanțele biologic periculoase.

Oamenii de știință din cadrul Proiectul Creierului Uman și Shadowrobot lucrează împreună pentru a oferi mâinilor robotizate o dexteritate cât mai asemănătoare mâinilor umane cu ajutorul rețelelor neuronale .

4. Un computer pe bază de reţele neuronale

Creierul uman conţine aproape 100 de miliarde de celule cerebrale interconectate, acesta fiind în parte motivul pentru care este atât de dificil de modelat și de înțeles. Calculul inovator a ajutat la îmbunătățirea înțelegerii creierului uman prin simularea schimbului de semnale dintre neuroni, dar chiar și cel mai bun software rulat pe cele mai rapide supercomputere poate simula în prezent doar aproximativ 1% din creierul uman.

Arhitectura de rețea neuronală Spiking cu un milion de nuclee de procesor sau mașina „SpiNNaker” are 100 de milioane de tranzistoare pe fiecare dintre cele 30.000 de cipuri ale sale.

Un astfel de cip poate simula 16.000 de neuroni și 8 milioane de sinapse în timp real. Acesta este comparabil sau chiar mai bun decât cel mai performant software de supercomputer de simulare a creierului care a fost utilizat până în prezent pentru cercetarea neuronală.

Dar acesta este doar începutul. SpiNNaker nu comunică prin trimiterea unor cantități mari de informații de la punctul A la punctul B printr-o rețea standard. În schimb, el funcționează asemănător creierului uman și trimite miliarde de cantități mici de informații simultan către mii de destinații diferite, fiind complet diferit de un computer tradițional.

SpiNNakker are potențialul de a depăși problemele de viteză și consum de energie ale supercomputerelor convenționale, ceea ce este foarte necesar dacă vrem să deslușim enigma creierului uman.

În cele din urmă, cu ajutorul acestuia înțelegerea noastră privind procesarea neuronală din creier, inclusiv în învățare și boli neurologice, cum ar fi Alzheimer, ar putea progresa.

 5. Pacientul epileptic virtual

O altă aplicație importantă EBRAINS a fost dezvoltarea unui pacient epileptic virtual (VEP). Acesta este un program de calculator bazat pe modele personalizate de rețele cerebrale de la pacienți individuali. Acest lucru se realizează prin integrarea regiunilor de conectivitate cerebrală responsabile de convulsii și leziuni pentru pacienți individuali şi care au fost detectate prin RMN.

În prezent, medicii folosesc electroencefalograma (EEG), care oferă o înregistrare a activității creierului și ajută la identificarea riscului de accident vascular cerebral (momentul şi locul producerii). Cu toate acestea, informațiile obţinute nu sunt suficiente medicului pentru a determina tipul de convulsie cerebrală și pentru a lua cele mai bune decizii cu privire la tratament.

Datele de la pacienții epileptici pot fi utilizate într-un program de calculator. © INS Marsilia

Modelul oferă o predicție personalizată a impactului unui tratament chirurgical pentru un anumit pacient. Chirurgul este apoi capabil să evalueze efectul mai multor strategii terapeutice diferite și să determine cea mai bună opțiune de tratament, cu cel mai de succes rezultat. Programul este aproape de lansarea comercială.

6. Cercetarea științifică

În septembrie 2021, 1.497 de articole revizuite de colegi, multe din reviste apreciate, au citat Human Brain Project. De exemplu, în 2018, cercetătorii au publicat în Nature lucrări impresionante despre neurotehnologia care a permis restabilirea mersului la pacienții cu leziuni ale măduvei spinării. În 2020, o echipă de cercetători a publicat în Science cel mai cuprinzător atlas despre arhitectura celulară a creierului. În același an, cercetătorii au descoperit, de asemenea, un tip specific de potențial de acțiune în celulele creierului cunoscut sub numele de celule piramidale și au dezvăluit un mecanism important de memorie în hipocamp.

Un obiectiv cheie în viitor este dezvoltarea „previziunii”, care este practica de a putea anticipa eventuale schimbări viitoare la nivelul creierului.

Să sperăm că într-o zi vom rezolva provocarea monumentală de a înțelege creierul uman și de a descoperi noi tratamente pentru bolile neurologice și tulburările psihiatrice.

Traducere după The Human Brain Project: six achievements of Europe’s largest neuroscience programme