Η τεχνητή νοημοσύνη αποκαλύπτει ένα εντυπωσιακό σύστημα «δύο ταχυτήτων» που βοηθά τον εγκέφαλο να απομακρύνει επιβλαβή απόβλητα κατά τον ύπνο
Κατά τη διάρκεια του βαθύ ύπνου, ένα υγρό που μοιάζει με νερό κινείται μέσα και γύρω από τον εγκέφαλο, βοηθώντας στην απομάκρυνση μεταβολικών αποβλήτων που συνδέονται με διαταραχές όπως η νόσος Αλτσχάιμερ. Αυτή η διαδικασία καθαρισμού είναι γνωστή ως γλυμφικό σύστημα. Περιγράφηκε για πρώτη φορά το 2012 από τη Μάικεν Νέντεργκάαρντ πρωτοπόρο νευροεπιστήμονα και συνδιευθύντρια του Center for Translational Neuromedicine του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ.
Παρότι οι επιστήμονες έχουν μάθει πολλά για το γλυμφικό σύστημα, σημαντικά ερωτήματα παραμένουν σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί στην πράξη. Μία από τις μεγαλύτερες αβεβαιότητες αφορά την ταχύτητα με την οποία κινείται το υγρό σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου. Η μέτρηση μιας τόσο αργής κυκλοφορίας σε έναν ζωντανό εγκέφαλο είναι ιδιαίτερα δύσκολη, επειδή οι ερευνητές πρέπει να την παρακολουθούν χωρίς να προκαλούν μόνιμη βλάβη.
«Μπορείς να τοποθετήσεις ένα μικροσκόπιο σε μια μικρή περιοχή του εγκεφάλου και να παρακολουθήσεις με μεγάλη λεπτομέρεια τι συμβαίνει εκεί, και στο παρελθόν έχουμε εργαστεί με τέτοιου είδους δεδομένα, αλλά αυτό αποτελεί μόνο μια πολύ μικρή εικόνα της συνολικής διαδικασίας. Αν θέλεις να απεικονίσεις ολόκληρους εγκεφάλους, η μαγνητική τομογραφία (MRI) είναι μια εξαιρετική προσέγγιση, επειδή σου δίνει μια τρισδιάστατη εικόνα. Ωστόσο, και η MRI έχει σοβαρούς περιορισμούς, με σημαντικότερο το γεγονός ότι δεν καταγράφει την ταχύτητα της ροής του υγρού — τουλάχιστον όχι όταν πρόκειται για τόσο αργές ροές» λέει ο καθηγητής Ντάγκλας Κέλει από το Τμήμα Μηχανολογίας του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ.
Η μέθοδος
Για να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό ο Κέλει και ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ, το Brown University και το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης στράφηκαν στην τεχνητή νοημοσύνη.
Η νέα μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Science Advances» περιγράφει μια μέθοδο η οποία χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη βασισμένη στους νόμους της φυσικής (physics-informed AI) για να εξάγει την ταχύτητα της ροής υγρών από δεδομένα μαγνητικής τομογραφίας (MRI).
Οι ερευνητές εκπαίδευσαν νευρωνικά δίκτυα χρησιμοποιώντας βίντεο που έδειχναν πώς μια χρωστική ουσία εξαπλωνόταν μέσα στον εγκεφαλικό ιστό με την πάροδο του χρόνου. Από αυτές τις μεταβολές, τα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης μπορούσαν να εκτιμήσουν τόσο την ταχύτητα του υγρού όσο και τη διαπερατότητα του περιβάλλοντος εγκεφαλικού ιστού.
Το σύστημα καθαρισμού
Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν δύο βασικές οδούς μέσω των οποίων το γλυμφικό σύστημα βοηθά στην απομάκρυνση σωματιδίων από τον εγκέφαλο, μεταξύ των οποίων και οι πρωτεΐνες β-αμυλοειδούς που συνδέονται με τη νόσο Αλτσχάιμερ. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτές οι δύο οδοί λειτουργούν με δραματικά διαφορετικές ταχύτητες.
Σε πιο ανοιχτές περιοχές γύρω από τον εγκέφαλο, συμπεριλαμβανομένης της περιοχής ανάμεσα στο κρανίο και την επιφάνεια του εγκεφάλου, το υγρό που μοιάζει με νερό κινείται με ταχύτητα μερικών μικρομέτρων ανά δευτερόλεπτο.
Ωστόσο, βαθύτερα μέσα στον εγκεφαλικό ιστό, το υγρό κινείται πολύ πιο αργά, με ταχύτητα περίπου 50 φορές μικρότερη. Αυτή η μεγάλη διαφορά στην ταχύτητα δίνει στους ερευνητές μια σαφέστερη εικόνα για τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να μεταφέρονται τα απόβλητα μέσα σε διαφορετικά περιβάλλοντα του εγκεφάλου. Το υγρό μπορεί να κινείται σχετικά γρήγορα μέσα στους ανοιχτούς χώρους ενώ η κίνησή του μέσα στον πυκνό εγκεφαλικό ιστό είναι πολύ πιο σταδιακή.
Από τους εγκεφάλους των ζώων στην ανθρώπινη υγεία
Προς το παρόν, η ερευνητική ομάδα εργάζεται για να καθορίσει τις φυσιολογικές τιμές αναφοράς της ροής των υγρών στον εγκέφαλο ζώων όπως τα ποντίκια. Αυτές οι μετρήσεις βοηθούν τους ερευνητές να βελτιώσουν και να εξελίξουν τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης.
Μακροπρόθεσμα, θέλουν να συγκρίνουν την κυκλοφορία του γλυμφικού συστήματος σε υγιείς και ασθενείς εγκεφάλους, καθώς και σε νεότερους και ηλικιωμένους εγκεφάλους. Ένας σημαντικός μελλοντικός στόχος είναι να επεκτείνουν την τεχνική και στους ανθρώπους.
«Εργαζόμαστε σκληρά με στόχο να μπορέσουμε να μετρήσουμε τη ροή υγρών που μοιάζουν με νερό μέσα και γύρω από τον ανθρώπινο εγκέφαλο, επειδή τότε οι κλινικές εφαρμογές γίνονται πολύ πιο σημαντικές και συναρπαστικές. Ελπίζουμε κάποια μέρα να μπορούμε να διαπιστώνουμε αν ένας ασθενής με Αλτσχάιμερ έχει ανεπαρκή κυκλοφορία υγρών στον εγκέφαλό του ή ακόμη και να εντοπίζουμε νωρίτερα στη ζωή προβλήματα στην κυκλοφορία, ώστε να προσπαθούμε να αποτρέψουμε την εμφάνιση της νόσου. Θα μπορούσαμε επίσης να ελέγχουμε κάποιον μετά από διάσειση, για να δούμε αν έχει διαταραχθεί η κυκλοφορία των υγρών στον εγκέφαλό του. Αυτή η μελέτη μάς φέρνει ένα βήμα πιο κοντά» λέει ο Κέλει.
Εάν οι ερευνητές καταφέρουν τελικά να μετρήσουν με αξιοπιστία αυτές τις πολύ αργές κινήσεις των υγρών στους ανθρώπους, η τεχνική θα μπορούσε να προσφέρει έναν νέο τρόπο διερεύνησης του κατά πόσο η φυσική διαδικασία απομάκρυνσης αποβλήτων από τον εγκέφαλο μεταβάλλεται σε περιπτώσεις νόσου Αλτσχάιμερ, γήρανσης ή τραυματικής εγκεφαλικής κάκωσης.
