Många neurodegenerativa sjukdomar sprids genom att kapa hjärnans anslutningskretsar för att transportera giftiga proteiner, som gradvis ackumuleras och utlöser symtom på demens. Nu, Forskare vid Stevens Institute of Technology och kollegor har modellerat hur dessa giftiga proteiner sprider sig i hjärnan för att reproducera de tydliga mönster av atrofi som är associerade med Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, och amyotrofisk lateralskleros, eller ALS.

Arbetet, kommer att publiceras i numret 12 oktober av Fysiska granskningsbrev , kan öppna en ny gräns inom datorhjärnmodellering, eftersom det belyser ett första steg mot att överbrygga mikro- och makrotillvägagångssätt – från interaktionen mellan enskilda molekyler till medicinsk bildanalys av hela hjärnan. Det kan också utöka den grundläggande förståelsen av dessa sjukdomar, vilket beräknas påverka mer än 12 miljoner amerikaner inom de kommande 30 åren om det lämnas okontrollerat.

"Detta är ett första försök att överbrygga skalor mellan cellnivån och hela organnivån, " säger huvudförfattaren Johannes Weickenmeier, professor i maskinteknik vid Stevens. "Nyckeln är att koppla biokemi till hjärnans biomekanik för att bättre förstå dynamiken i dessa sjukdomar."

Som postdoktor, Weickenmeier banade väg för en teknik för att bygga en digital hjärna genom att använda 3D-modelleringsprogramvara för att arrangera mer än 400, 000 pyramidformade virtuella block, rekonstruerar block för block den mycket vikta och krökta strukturen. "Det är en konstform, " säger Weickenmeier. "Att rekonstruera alla dessa individuella veck är ganska svårt."

Han överlagrade sedan sin modell med data hämtade från diffusionstensoravbildning, som avslöjar riktningarna för signaler som passerar genom hjärnan. Vissa hjärnstrukturer bär signaler främst i specifika riktningar, så den digitala modellen fångar inte bara hjärnans anatomiska egenskaper, men också hur elektrokemiska signaler flödar genom dem.

För att modellera spridningen av giftiga proteiner genom hjärnan, Weickenmeier och hans team, inklusive kollegorna Ellen Kuhl från Stanford och Alain Goriely från Oxford, använde ekvationer liknande de som beskriver hur värme diffunderar genom material.

De fann att även om olika neurodegenerativa sjukdomar ofta involverar mycket olika biokemi - och ger väldigt olika symtom - så kunde modellen återskapa de tydliga mönstren av atrofi som är associerade med Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, och andra neurodegenerativa sjukdomar, helt enkelt genom att ändra de giftiga proteinernas utgångspunkter i hjärnan.

"Dessa mönster av atrofi uppstod naturligt från vårt system, " säger Weickenmeier.

Giftiga proteiner "sås" på olika ställen för olika sjukdomar, Weickenmeier förklarar, och deras spridning över hjärnan – och därför symtomen de producerar – dikteras av de anslutningsvägar som är tillgängliga för dem. Biokemi spelar fortfarande roll, men simuleringens effektivitet tyder på att neuroanatomi och anslutningsmöjligheter också spelar nyckelroller för att förmedla utvecklingen av neurodegenerativa sjukdomar.

Mer raffinerade simuleringar skulle en dag kunna påskynda diagnosen genom att förutsäga symtom, eller hjälpa forskare att utveckla nya behandlingar. Dock, digital hjärnmodellering är i ett tidigt skede, dels för att det finns relativt lite data att bedöma modellens förutsägelser mot. På samma gång, hjärnavbildningstekniker som kan visualisera dessa sjukdomar utvecklas aktivt av neuroimaging-gemenskapen.

"När vi har de, vi kommer att kunna kalibrera våra modeller för att göra exakta patientspecifika förutsägelser i framtiden, säger Weickenmeier.

Modellens potential sträcker sig även till andra sjukdomar. Liknande mekanismer underbygger multipel skleros, såväl som kronisk traumatisk encefalopati, eller CTE, en sjukdom som sannolikt drabbar personer som utsätts för upprepade huvudstötar, från cheerleaders till fotbollsspelare.

"Dessa medicinskt relevanta sjukdomar, som Alzheimers sjukdom och andra neurodegenerativa sjukdomar är motivationen för våra "in silico"-modeller, ", säger Weickenmeier. "De tillåter oss att strategiskt köra olika simuleringar för att testa individuella hypoteser om sjukdomsprogression och se vilka nya tillvägagångssätt som verkar lovande."