Unikátní mapování mysli odhalí další tajemství lidského mozku

V roce 2025 bychom mohli být svědky genetického dekódování lidského mozku za pomoci AI. Podrobné mapy lidského mozku vypracované v rámci projektu Human Brain Project financovaného EU jsou připraveny a čekají na plné využití.

Výzkumní pracovníci stojí v čele pokroku v hlubším porozumění lidskému mozku a urychlení léčby různých neurologických stavů. Nedávné průlomy v neurovědě znějí téměř jako zázrak: neurostimulační techniky, které pomáhají ochrnutým pacientům znovu chodit, nebo implantát pomáhající obnovit zrak nevidomým. To jsou jen dva z mnoha výsledků přelomového projektu Human Brain Project (HBP), 10 let trvající výzkumné iniciativy financované EU, která významně zvýšila vědecké porozumění lidskému mozku.

Rozsáhlá oblast výzkumu

Nedávno bylo zveřejněno komplexní desetileté hodnocení hlavních úspěchů HBP. Jedná se o jeden z největších a nejambicióznějších výzkumných projektů, který kdy EU financovala. Do projektu probíhajícího v letech 2013 až 2023 se zapojilo 150 institucí a stovky výzkumných pracovníků z 19 zemí. Jeho velikost a časový rozsah však byly úměrné jeho výzkumnému zaměření. „Lidský mozek je nejnáročnějším a nejzajímavějším cílem výzkumu – srovnatelným s vesmírem," řekla profesorka Katrin Amuntsová, německá neurovědkyně z univerzity v Düsseldorfu a Forschungszentrum Jülich v Německu, která přelomový desetiletý výzkum lidského mozku vedla. Právě díky němu mohl vzniknout atlas lidského mozku – nejpodrobnější mapy oblastí mozku a jejich buněčné architektury, jaké kdy byly dosud vytvořeny.

Neexistuje jediná laboratoř, nebo dokonce země, která by měla kapacitu složitosti mozku  komplexně řešit. To je důvod, proč bylo podle prof. Amuntsové velkou výhodou, že výzkumníci HBP mohli těžit z tak rozsáhlého a dlouhodobého financování EU. Je přesvědčena, že úspěchy, kterých bylo dosaženo, by jinak nebyly možné.

Pomoc milionům lidí za pomoci AI

Onemocnění mozku představují globální výzvu a úspěchy týmu HBP pomohou zajistit lepší péči milionům lidí. Více než 3 miliardy lidí, neboli více než 40 procent světové populace, je postiženo neurologickými onemocněními, což z nich činí hlavní příčinu špatného zdraví a invalidity a zatěžuje pacienty, rodiny a pečovatele po celém světě. Podle prof. Amuntsové spočívá odpověď v dalším výzkumu. „Účinnější léčba mozkových onemocnění vyžaduje lepší pochopení toho, jak mozek funguje," říká.

Výzkumníci HBP, kteří pracují na rozhraní neurovědy a informačních technologií, vrhli značné světlo na strukturu, funkci a dysfunkci mozku, což vedlo k novým aplikacím v medicíně a technologii. To již mělo znatelný praktický dopad. Došlo například k průlomům v chápání zraku. Výzkumníci HBP z Královské nizozemské akademie umění a věd vytvořili zařízení schopné přenášet vizuální vzorce přímo do zrakové kůry mozku.

Pozoruhodné pokroky v neurostimulaci také nabízejí novou naději lidem postiženým ochrnutím. Tým ze Švýcarského federálního technologického institutu v Lausanne vyvinul personalizované modely pro míšní stimulaci, které umožňují paraplegikům znovu stát a chodit.

Atlas mozku

Jedním z klíčových úspěchů projektu je vytvoření atlasu mozku, který prof. Amuntsová přirovnává ke Google Maps pro mozek. Atlas mapuje více než 200 jednotlivých oblastí mozku a poskytuje víceúrovňové anatomické referenční mapy, a to až na mikrometrovou úroveň (0,000 001 metru). Jde o model zcela unikátní svými vlastnostmi a detaily. Zároveň je i zásadní pro pochopení toho, které oblasti mozku se podílejí na které funkci. Když pacient například prodělal cévní mozkovou příhodu, model umožňuje sdílet podrobnější informace a zahájit personalizovanější reakci dle potřeby pacienta.

„Tyto mapy pomohou vědcům a lékařům orientovat se v nové léčbě pro pacienty s onemocněním mozku. V naší práci nám významně pomáhá umělá inteligence. Mozek má 86 miliard nervových buněk, z nichž každá má až 10 000 spojení s jinými buňkami, takže se jedná o neuvěřitelně složitou síť. I naše největší počítače se s tím dnes potýkají jen stěží. V roce 2025 však budeme mít obrovský výpočetní výkon, když bude v Jülichu spuštěn jeden z největších strojů s umělou inteligencí – JUPITER. Spojením dat s umělou inteligencí budeme schopni spouštět virtuální expertní scénáře účinků určitých terapií na mozek,“ vysvětluje prof. Amuntsová.

Část atlasu BigBrain již byla použita ve velké klinické studii EPINOV ve Francii, kde vědci použili personalizované modely mozku k identifikaci nejlepších cílových oblastí pro operaci epilepsie. To by mohlo zlepšit životy milionů pacientů s epilepsií, kteří potřebují operaci ke zmírnění svých příznaků.

Technologie personalizace pro tyto modely byla vyvinuta také v rámci HBP výzkumníky z univerzity v Marseille. „Naši kolegové ve Francii právě dokončili první klinickou studii o epilepsii, na jejímž základě předpověděli, kde přesně by chirurgové mohli tkáň odstranit. Chirurgové se snaží odstranit jí co nejvíce, aby měli pacienta bez záchvatů, ale zároveň co nejméně, aby se vyhnuli zbytečnému poškození. Nyní čekáme na výsledky,“ dodává prof. Amuntsová.

Snahou výzkumného týmu je, aby atlasy mozku, které dosud jeho pracovníci vyvinuli, byly přínosem pro více pacientů, aby se staly užitečným nástrojem pro informování o diagnostice a chirurgii, například o lokalitě nádoru.

Nejen komunikace mezi mozkem a počítačem

Kromě zdraví se výzkumníci HBP zapsali také do oblasti AI, kde šel pokrok ruku v ruce s pokroky v neurovědách. Práce týmu prof. Amuntsové sloužila jako účinný most mezi těmito dvěma světy. Nové výpočetní metody se tak staly nástroji pro výzkum mozku, přičemž naše lepší porozumění mozku také pomáhá rozvíjet technologie umělé inteligence, od neuromorfních výpočtů modelovaných podle lidského mozku až po kognitivní robotiku.

„Výzkum v oblasti umělé inteligence, umělých neuronových sítí a neuromorfních výpočtů má přímé vazby na výzkum mozku. Pokud budeme lépe rozumět tomu, jak se mozek učí a funguje, můžeme se naučit, jak vytvářet efektivnější umělé neuronové sítě,“ říká prof. Amuntsová.

Neskutečným úspěchem je HBP i pro profesora Philippa Verniera, ředitele Institutu neurověd Paris-Saclay ve Francii. Nyní společně s prof. Amuntsovou vede navazující výzkumnou iniciativu financovanou EU s názvem EBRAINS 2.0, která je otevřenou platformou nabízející přístup ke všem digitálním nástrojům, službám a datovým sadám vyvinutým v rámci HBP, včetně atlasu mozku.

Jak desetiletá práce výzkumníků HBP pokračovala, bylo zřejmé, že je nutné také vytvořit společnou digitální platformu. Pokud má vědecká komunita těžit z přínosů výzkumu HBP, je podle prof. Verniera nezbytné mít navazující výzkumný projekt financovaný EU.

Důležité je ukázat, co projekt HBP dokázal vyprodukovat, a zpřístupnit to širší vědecké komunitě. Projekt EBRAINS je otevřený všem. Na platformě mohou neurovědci vkládat a sdílet data a spolupracovat na výzkumu mozku. „Mohlo by to skutečně změnit hru. Hlavní výzvou výzkumu mozku je složitost mozku. Abychom se s tím vypořádali, musíme táhnout za jeden provaz, shromažďovat data a přetvářet je v něco užitečného,“ je přesvědčen prof. Vernier.

Datový a informační ekosystém EBRAINS aktuálně slouží vědcům z více než šedesáti partnerských institucí. Jako první z Česka se do platformy připojila např. Masarykova univerzita. „Díky členství v EBRAINS mohou naši výzkumní pracovníci hledat nové možnosti spolupráce a rozvíjet nové multidisciplinární směry výzkumu na základě současné vědecké excelence v oblasti neurověd a mozkového zdraví. Velmi se těšíme na zapojení do komunity EBRAINS a na příležitosti, které nám umožní spojit síly při prohlubování našeho porozumění mozku v celé jeho komplexnosti,“ říká prof. MUDr. Milan Brázdil, Ph.D., přednosta I. neurologické kliniky LF Masarykovy univerzity a FN u sv. Anny. „Členství v EBRAINS poskytuje Masarykově univerzitě možnost stát se komplexním centrem výzkumu a vzdělávání v oblasti mozku a spojit naše odborné znalosti s nástroji a daty integrovanými v infrastruktuře EBRAINS,“ hodnotí význam spolupráce děkan LF MU prof. Martin Repko.

 Jak přední vědci projektu zdůrazňují, kolektivní úsilí je nezbytné pro lepší pochopení mozku a také pro léčbu mnoha mozkových onemocnění, jako je Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a schizofrenie. „Používáním nových nástrojů jsme nastavili cestu k lepší a personalizovanější léčbě těchto chorob,“ dodává prof. Vernier.

Výzkumná infrastruktura EBRAINS si klade za cíl chránit dědictví HBP a přinášet nejnovější vědecké průlomy do klinických studií a nemocnic. „Mozek je fascinující a my chceme porozumět jeho architektuře a funkcím, ale věříme, že máme odpovědnost přinést naše poznatky do klinické praxe a zlepšit životy pacientů," říká prof. Amuntsová. Jedním z průlomů, které by ráda viděla, je pochopení toho, jak mozek funguje na buněčné úrovni. „Víme o mnoha typech buněk, o molekulárních profilech a jejich genech, ale ne o každé z 86 miliard nervových buněk. Někdy vidíme stromy, ale nevidíme les. Doufám, že v roce 2025 se nám podaří zacelit některé mezery v našich znalostech o vztahu mozkových buněk, jejich genů a nemocí v různých měřítkách, od buněk přes sítě až po celý mozek,“ uzavírá.