Usando um algoritmo que eles chamam de KrakEncoder, os pesquisadores da Weill Cornell Medicine estão um passo mais perto de desvendar como a fiação do cérebro apóia a maneira como pensamos e agimos. O estudo, publicado em 5 de junho em Métodos da naturezausou dados de imagem do projeto Human Connectome para alinhar a atividade neural com seus circuitos subjacentes.
Mapeando como as conexões e padrões de atividade anatômica do cérebro se relacionam com o comportamento é crucial não apenas para entender como o cérebro funciona em geral, mas também para identificar biomarcadores de doenças, prevendo resultados em distúrbios neurológicos e projetando intervenções personalizadas.
Dirigindo -se ao elefante na sala
O cérebro consiste em uma rede complexa de neurônios interconectados cuja atividade coletiva impulsiona nosso comportamento. O Connectome estrutural representa a fiação física do cérebro, o mapa de como diferentes regiões estão anatomicamente conectadas. A outra peça do quebra -cabeça é o Connectome funcional, que representa padrões de atividade neuronal entre diferentes partes do cérebro, destacando regiões que se ativam juntas durante tarefas específicas ou em repouso. Surpreendentemente, os cientistas descobriram que as regiões que estão “ligadas” nem sempre “disparam juntas”.
“Mas ainda estamos apenas arranhando a superfície de como as redes cerebrais se relacionam com as tarefas da vida cotidiana, como resolver um problema de matemática, conversar com um amigo ou dirigir um carro”, disse a autora sênior Dr. Amy Kuceyeski, professora de matemática em radiologia e neurociência da Weill Cornell Medicine.
Enquanto muitos pesquisadores estão modelando a relação entre conectomos funcionais e estruturais, eles apresentam mapas diferentes. “Todo mundo usa métodos diferentes para tirar fotos das redes do cérebro”, explicou o Dr. Kuceyeski. Por exemplo, ao usar a ressonância magnética (RM) para varreduras cerebrais, diferentes métodos para processar as mesmas imagens brutas podem gerar connectomes diferentes.
O Dr. Kuceyeski compara essa abordagem de retalhos para examinar um elefante em um quarto escuro, onde uma pessoa está tocando o porta -malas, alguém uma perna, outra pessoa com um ouvido. “Nossa suposição fundamental é que cada conjunto de opções nos pipelines de imagem e processamento fornece uma visão diferente do mesmo sistema subjacente”, disse Keith Jamison, o primeiro autor do estudo e um associado de pesquisa no laboratório do Dr. Kuceyeski.
Para obter uma representação mais abrangente, a Dra. Kuceyeski e sua equipe construíram uma ferramenta que poderia levar os conectomos estruturais e funcionais produzidos por todas essas abordagens díspares e colapsá -las para produzir uma interpretação mais unificada.
“Na minha cabeça, eu o vi como uma espécie de monstro com vários braços que poderiam estender a mão e pegar diferentes representações do cérebro e digeri -las e congelá -las em um conectome unificado”, disse Jamison. O programa resultante, um autoencoder que comprime e reconstrói mais de uma dúzia de “sabores” diferentes de dados de entrada, passou a ser chamado de KrakEncoder.
Identificando conexões que restauram a função perdida
A equipe treinou o codificador de Krakencoder coletado de mais de 700 disciplinas que participaram do projeto Human Connectome da National Institutes of Health. Como parte desse estudo, os voluntários foram submetidos a extensa ressonância magnética estrutural e funcional.
Os pesquisadores descobriram que o codificador de Krakes permitiu que eles tomassem o conectoma estrutural de um indivíduo e prevejam corretamente o conectome funcional da pessoa cerca de 20 vezes mais precisão do que as abordagens publicadas anteriormente.
A representação combinada e compactada do KrakEncoder também previu a idade do indivíduo, o sexo e suas pontuações de desempenho cognitivo recebidas em testes que haviam sido administrados junto com suas varreduras de imagem. Observou que tais pontuações, o Dr. Kuceyeski, são notoriamente difíceis de avaliar com base apenas nas imagens cerebrais.
Ser capaz de mapear funções como a cognição para redes cerebrais específicas é essencial para entender como a anatomia e a fisiologia dão origem a nossos comportamentos e habilidades – e como doenças e lesões podem prejudicar nosso desempenho.
No futuro, a Dra. Kuceyeski e seus colegas planejam combinar o Krakencoder com uma ferramenta de modificação de rede que eles chamam de Nemo que lhes permitirá examinar os conectomos de pessoas cujos cérebros foram danificados por doenças. Christie Gillies, um estudante de doutorado no laboratório Kuceyeski, está usando essa abordagem para mapear os resultados após o derrame.
“Ela está comparando o Connectome funcional produzido pelo oleoduto Nemo + Krakencoder, com base apenas nas ressonâncias magnéticas coletadas regularmente na clínica, à ressonância magnética funcional real de uma pessoa. Descobrimos que nossos conectomes funcionais fazem um trabalho melhor na previsão de pontuações motoras de um indivíduo e pontuações de idiomas em seguida”, disse o Dr. Kuceyeski.
Essas ferramentas também podem identificar conexões de rede cerebral associadas ao desempenho cognitivo ou motor aprimorado. Aumentar a atividade dos circuitos danificados – por exemplo, através da estimulação magnética transcraniana, um tratamento que usa pulsos magnéticos para estimular células nervosas no cérebro – pode fortalecer essas conexões e acelerar a recuperação.