Μπορούν οι χειρουργοί να ποσοτικοποιήσουν τον κίνδυνο αφασίας κατά την αφαίρεση ενός όγκου εγκεφάλου; Για να το ανακαλύψουν, ερευνητές στο Klinikum rechts der Isar του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Μονάχου (TUM) αναλύουν τον εγκέφαλο ως δίκτυο. Σε μια τρέχουσα μελέτη με 60 ασθενείς, έχουν ήδη επιτύχει ποσοστό ακρίβειας 73%.
Τι είναι η αφασία και πώς επηρεάζει τις χειρουργικές επεμβάσεις;
Οι όγκοι του εγκεφάλου είναι σχετικά σπάνιοι. Σύμφωνα με τη Γερμανική Εταιρεία Νευρολογίας, η ετήσια επίπτωση είναι περίπου 5 περιπτώσεις ανά 100.000 κατοίκους. «Αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις η χειρουργική αφαίρεση του όγκου είναι αναπόφευκτη», λέει ο καθηγητής Sandro Krieg, ο οποίος εκτιμά ότι ένα γλοίωμα —ένας κοινός τύπος όγκου εγκεφάλου— αφαιρείται στο Klinikum rechts der Isar του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Μονάχου (TUM). «Σχεδόν σε καθημερινή βάση».
Ανάλογα με τον όγκο, ο Krieg και οι συνεργάτες του αναπτύσσουν ατομικές θεραπευτικές και χειρουργικές στρατηγικές. Ένα κρίσιμο σημείο: ο υγιής ιστός θα πρέπει να διατηρηθεί στον μεγαλύτερο δυνατό βαθμό και δεν θα πρέπει να καταστραφούν δομές που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε περαιτέρω περιορισμούς. «Αφασία» είναι ο όρος για τις μετεγχειρητικές διαταραχές λόγου, για παράδειγμα. «Θέλουμε να έχουμε ακριβή γνώση του κινδύνου αφασίας πριν από την επέμβαση».
Ο επικεφαλής ιατρός της Νευροχειρουργικής Κλινικής στο Klinikum rechts der Isar μελετά την προεγχειρητική χαρτογράφηση του εγκεφάλου για περισσότερα από 10 χρόνια. «Για πολύ καιρό γνωρίζαμε τις βασικές θέσεις στον εγκέφαλο που είναι υπεύθυνες για λειτουργίες όπως η κίνηση ή η ομιλία. Αλλά μόλις τα τελευταία πέντε χρόνια έχουμε αρχίσει να αναλύουμε το δίκτυο του εγκεφάλου για να μάθουμε πώς συνεργάζονται οι διάφορες περιοχές, για παράδειγμα για να επιτρέψουμε σε ένα άτομο να μιλήσει. «Ένα πράγμα είναι σαφές: δεν υπάρχει γλωσσικό κέντρο ως τέτοιο. Αντίθετα, η δομή μοιάζει περισσότερο με πολλούς κόμβους ή κόμβους ενός μεγάλου δικτύου μέσω των οποίων η ομιλία καθίσταται δυνατή».
Όγκοι εγκεφάλου: Κάνοντας προβλέψεις μέσω μηχανικής μάθησης
Η ανάλυση των χαρακτηριστικών του δικτύου του εγκεφάλου – που αναφέρεται ως ανάλυση συνδετήρων – μια διαδικασία που χρησιμοποιείται από την ομάδα του καθηγητή Krieg για περίπου δύο χρόνια – παίζει βασικό ρόλο στην τρέχουσα έρευνα. «Με αυτόν τον τρόπο ποσοτικοποιούμε τις συνδέσεις σε μεμονωμένες περιοχές του εγκεφάλου», λέει ο καθηγητής Krieg. «Έχουμε αρχίσει από τότε να αναθέτουμε πιο ακριβείς λειτουργίες σε περιοχές του εγκεφάλου».
Οι επιστήμονες του TUM Δρ. Haosu Zhang και ο Dr. Sebastian Ille έχουν χαρτογραφήσει ανατομικά εικόνες των στρωμάτων του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνες για τις δυνατότητες ομιλίας. Η διαδικασία είναι η εξής: «Με μια ειδική μορφή τομογραφίας μαγνητικού συντονισμού γνωστή ως τρακτογραφία, παράγουμε τρισδιάστατες αναπαραστάσεις των δικτύων και των υποδικτύων των νευρικών οδών στον εγκέφαλο», εξηγεί ο Zhang.
Αυτή η ανάλυση δικτύου υποστηρίζεται από τη διαδικασία πλοήγησης διακρανιακής μαγνητικής διέγερσης, στην οποία ένας στοχευμένος μαγνητικός παλμός αναστέλλει τα νευρικά κύτταρα σε μονοπάτια ινών που είναι υπεύθυνα για την ομιλία. Αυτό προκαλεί μια προσωρινή διαταραχή της ομιλίας στον ασθενή που μπορεί να αναγνωριστεί σε ανάλυση βίντεο. Επιτρέπει στους ερευνητές να προσδιορίσουν με ακρίβεια τις περιοχές του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνες για την ομιλία. «Συνδυάζουμε τις λεγόμενες παραμέτρους σύνδεσης από την τρακτογραφία με πληροφορίες για τη λειτουργία ομιλίας του ασθενούς», εξηγεί ο Zhang.
Αυτό που κάνει τον αλγόριθμο του Zhang και του Ille ξεχωριστό είναι ότι αποδίδει «στατιστικά σημαντικές παραμέτρους» – δεδομένα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκπαίδευση ενός μοντέλου μηχανικής μάθησης και, επομένως, για τον εντοπισμό της ομιλίας μεμονωμένων ασθενών. Όσο περίπλοκη και αν φαίνεται η χρήση των διαφορετικών μεθόδων ανάλυσης—το καθοριστικό χαρακτηριστικό της μεθόδου είναι η απλότητά της: ολόκληρη η αναλυτική διαδικασία λειτουργεί χωρίς πολύπλοκους αλγόριθμους ή ισχυρούς υπολογιστές. «Τα δεδομένα που χρησιμοποιούμε προέρχονται από συνήθεις νοσοκομειακές δοκιμές», λέει ο Zhang.
Ανάλυση δικτύου: Ακρίβεια 73% στην πρόβλεψη προβλημάτων ομιλίας
Στην πρόσφατη μελέτη με 60 ασθενείς, οι ερευνητές στο Klinikum rechts der Isar έδειξαν ότι αυτή η συνδυασμένη ανάλυση μπορεί να προβλέψει με μεγάλη ακρίβεια (73%) εάν η χειρουργική επέμβαση θα προκαλέσει δυσκολίες στην ομιλία (μετεγχειρητική αφασία). «Είναι πολύ σημαντικό να μπορούμε να κάνουμε αυτές τις προβλέψεις», λέει ο Krieg. Είναι ενθουσιασμένος από τη δυνατότητα να μπορεί να ποσοτικοποιήσει τον κίνδυνο με μεγαλύτερη ακρίβεια μέσω «πραγματικής ανάλυσης δικτύου» και να έχει συγκεκριμένα δεδομένα για την υποστήριξη της χαρτογράφησης του εγκεφάλου.