Jordi Garcia-Ojalvo és el director del Laboratori de Biologia de Sistemes Dinàmics del Departament de Ciències Experimentals i de la Salut, Universitat Pompeu Fabra (DCEXS-UPF) i amb el seu grup forma part d’un projecte d’innovació tecnològica interdisciplinar aplicada a la neurociència: Neurotwin.
El projecte ha reunit a experts de branques ben diverses com ara l’enginyeria, la investigació clínica i la filosofia, per crear “cervells bessons digitals” que permetin fer tractaments personalitzats per malalties neurològiques.
Hem tingut la sort de parlar amb el Jordi Garcia-Ojalvo perquè ens expliqui què és tot això dels neuro twins i entendre una mica millor aquest interessant projecte.
“Cervells digitals bessons” sona a ciència ficció… En què consisteix el projecte?
El projecte Neurotwin és successor d’una iniciativa que engloba molts projectes anomenada Virtual Physiological Human, que es basava en la idea de crear un model complet d’un ésser humà en un ordinador, per tal de fer proves no invasives a nivell computacional. Ara el concepte ha derivat a “Digital Twin“, que el que busca és no només tenir un model computacional per tothom, sino crear models digitals “bessons” de cada pacient per poder fer medicina personalitzada a partir del genoma de cada individu.
En concret, en el nostre projecte, Neurotwin, ens hem centrat en els cervells bessons digitals, que serien representacions dels cervells de pacients creades a partir de dades extretes amb les tècniques actuals de neuroimatge i de monitorització de l’activitat del cervell.
Aquests “neuro twins”, doncs, per a què servirien?
L’objectiu darrere de la creació d’aquests models és doble:
- Per una banda volem intentar entendre perquè funcionen els tractaments d’estimulació cerebral no-invasiva amb camps elèctrics o magnètics que ja s’utilitzen amb èxit per tractar trastorns neurològics i neurodegeneratius.
- Una vegada aconseguit això, amb models acurats del cervell, podrem respondre diferents preguntes sobre aquests tractaments i realitzar modificacions in silico perquè tinguin la màxima efectivitat per la població en general i, idealment, per a cada pacient.
“Sabem que els tractaments d’estimulació cerebral no-invasiva amb camps elèctrics o magnètics funcionen, però no tenim del tot clar el perquè”
I en concret, amb quines malalties es podrien fer servir?
Nosaltres estem centrats en Alzheimer perquè les entitats amb qui col·laborem estan treballant amb pacients d’aquesta malaltia. El que s’ha vist en Alzheimer, per exemple, és que existeixen pertorbacions en les oscil·lacions i els ritmes del cervell. Amb aquestes tècniques d’estimulacions magnètiques i elèctriques, si aconseguíssim modular les oscil·lacions i reproduir els ritmes d’un cervell sa, potser podríem reduir els símptomes en etapes lleus de la malaltia, o l’avenç de la mateixa.
“Si aconseguíssim modular les oscil·lacions i reproduir els ritmes d’un cervell sa, potser podríem reduir els símptomes en etapes lleus d’Alzheimer”
Tot i així, una vegada el projecte estigui validat, aquest tipus de tècniques es podrien traduir i traslladar també per pacients amb depressió, epilèpsia o diferents tipus de demència.
Qui més participa en el projecte?
Aquest és un projecte coordinat per l’empresa Neuroelectrics Barcelona i recolzat per l’EIC Pathfinder Horizon 2020 de la Unió Europea, que és una iniciativa per donar suport a la recerca i el desenvolupament de tecnologies d’avantguarda.
Així, al projecte hi ha grups experimentals i teòrics:
- Dins dels experimentals, un grup de l’Universidad Pablo de Olivade de Sevilla treballa amb ratolins i tres grups treballen amb humans: un a Dortmund (Alemanya), un altre grup a Itàlia i una altre a Boston, al Beth Israel Deaconess Medical Centre on treballen amb pacients d’Alzheimer.
- En quant a la branca teòrica del projecte, tant nosaltres com el grup del Gustavo Deco (UPF), ens dediquem als models computacionals i a l’anàlisi de les dades dels pacients.
I com serà la dinàmica de treball? Ja heu començat?
El projecte ha començat fa uns mesos, sí, i té una durada de quatre anys. En els primers passos els teòrics i computacionals intentarem desenvolupar els models per entendre com funcionen aquestes estimulacions no invasives i optimitzar-les per aplicar-les en un futur als pacients, que seria la segona part del projecte.
“Els i les científiques teòriques podem començar a treballar amb dades que ja existeixin i afegir les que ens facin arribar el personal experimental, que estan començant a treballar amb els pacients.”
Una vegada estiguin desenvolupats els models, s’hauran de validar i veure que funcionen adequadament. Més endavant s’hauria de trobar la manera de fer que aquests models fossin utilitzables en general, no només per fer recerca, i així poder aplicar-los a la clínica de manera personalitzada.
Quin seria el procés per generar un model personalitzat d’un pacient?
Idealment calen tant dades estructurals com funcionals del cervell. Les primeres es poden obtenir amb una ressonància magnètica (MRI) i amb una tècnica que es diu Difussion Tract Imaging (DTI) que permet mesurar el nivell de connectivitat entre diferents àrees del cervell, però també a partir de dades ja existents.
Una vegada tenim l’estructura analitzada cal obtenir dades del funcionament, és a dir, de com es comporta el cervell. Per fer-ho, tenim dades d’electroencefalografia, que mostren els nivells d’activitat en el temps, o de ressonància magnètica funcional, que són les típiques imatges que mostren com “s’il·lumina” el cervell a mesura que l’estimulem amb diferents inputs.
Amb totes aquestes dades estructurals i funcionals, i a partir de models matemàtics que descriguin com les diferents poblacions neuronals es connecten entre sí, generaríem els models computacionals, els Neuro Twins.
“Fer aquests models no és complicat a nivell conceptual, perquè creiem que coneixem les lleis matemàtiques (o al menys tenim una bona aproximació) i tenim les eines per obtenir les dades experimentals”
A nivell hipotètic, en la pràctica clínica, el procés de generar un model personalitzat no seria massa car ni massa lent: en una mateixa sessió podríem obtenir una ressonància magnètica i la DTI del pacient (estructura) i en una altra sessió la ressonància magnètica funcional (activitat). Per tant, en un parell de dies o com a molt al llarg d’una setmana i de manera no invasiva podríem tenir les dades necessàries del pacient.
Llavors, en quant de temps podrem parlar de neuromodulació personalitzada a nivell clínic?
Nosaltres ens hem compromès a poder fer-la quan acabi el projecte, de manera que com a mínim estem parlant de quatre anys. Tot i així, per poder fer el que volem no depenem de tecnologies noves i per tant no tenim un horitzó massa llunyà; en pocs anys podria estar instaurada.
A més, en cas que es desenvolupessin noves tècniques per obtenir informació del cervell, podríem incorporar-les als nostres models per enriquir-los, però no ens faria tornar enrere.
Posem-nos una mica filosòfics per acabar… Creus que algun dia podrem representar un cervell complet en un ordinador, pensaments inclosos?
Ara mateix a nivell computacional no podem representar la complexitat del cervell, que és una meravella – presenta un consum d’energia ínfim per la quantitat de processament d’informació que fa! – i en part també un misteri. Però per fer medicina personalitzada tampoc cal (ni té sentit) intentar representar i modular un cervell fins l’escala microscòpica.
Ara bé, si parlem d’incloure pensaments ja entrem en el món de la intel·ligència artificial i per tant ens hauríem d’oblidar d’una representació 100% fidel. És a dir, si fem un exercici d’abstracció, potser si que podríem generar un model artificial que fes alguna cosa semblant a pensar… Però que això sigui representatiu del que fa el cervell humà és el que no tinc clar.
