Când tehnologia informației ajută la înțelegerea creierului

Este fascinant să vorbeşti despre una dintre cele mai vechi preocupări umane (medicina – neurochirugia, Fig. 1) şi una dintre cele mai noi, tehnologia informaţiei, în acelaşi context.
Deşi alte tehnologii medicale contemporane se bucură de popularitate, unele chiar de statut de vedetă (rezonanţa magnetică nucleară, de ex.), felul în care se întrepătrund tehnologiile informaţiei cu tratamentul bolilor creierului rămâne un teritoriu asemănător unei planete care promite enorm, dar nu am colonizat-o încă.

Fig. 1 – Instrumente de bronz folosite de Incasi in cranitomii, inclusive disectoare, cutite si ace. Craniu ce arata crestere osoasa dupa trepanatie. In ciuda instrumentarului primitiv neurochirurgii preistorici aveau un mare success

Computerul ne ajută să „vedem” în interiorul calotei craniene
Cel mai complex lucru cunoscut oamenilor, creierul uman, pune probleme imense atât de înţelegere a felului în care funcţionează (cum face tot ceea ce face), dar mai ales de tratament al bolilor (unele extrem de complexe) de care poate suferi. Cu atât mai mult cu cât cea mai mică imprecizie în tratarea acestor boli poate avea consecinţe devastatoare pentru pacient, familie şi comunitate, atât psihologic şi psiho-social, cât şi economic.
Acest aspect a făcut ca între primele încercări de abordare chirurgicală a creierului şi neurochirurgia modernă să existe o distanță enormă, determinată de lipsa de mijloace de tratament eficient al bolilor neurochirurgicale.
Nu aveam posibilităţi de a „vedea” în interiorul calotei craniene şi nu aveam „instrumentele” necesare pentru manipularea chirurgicală a creierul fără să îi producem leziuni devastatoare. Din acest motiv, urmărirea traiectoriei neurochirurgiei moderne este aproape echivalentă cu urmărirea istoriei marilor inovaţii tehnologice, de la descoperirea electricităţii până la internet şi nanotehnologii.
Dacă luăm de exemplu microprocesorul şi noile tehnologii pe care acesta le-a făcut posibile, obţinem o imagine impresionantă a nivelului de tehnologizare pe care îl implică neurochirurgia modernă.
Un univers invizibil a ieșit acum la lumină
Este fundamentală înţelegerea faptului că viitorul medicinei în general şi al neurochirurgiei în particular este dependent de inovaţii tehnologice şi mai ales de integrarea din ce în ce mai complexă a tehnologiilor informaţiei în fiecare aspect al actului medical, de la diagnostic până la metode de recuperare a funcţiilor neurologice. Sunt deja notorii încercările de creare a unor soft-uri de recunoaştere de imagini şi interfețele creier – maşină, unele cu rezultate „funcţionale” extrem de încurajatoare.
Potenţialul de cercetare şi de dezvoltare de noi „instrumente” informatice este enorm. Să privim doar spre câteva direcţii. Rezonanţa magnetică nucleară a transformat „cutia neagră” a craniului într-un univers vizibil. Cantitatea de informaţii conţinută în imaginile rezultate din aplicarea acestei metode este foarte mare şi, poate mai important, foarte variată, mergând până la detalii moleculare. Informațiile astfel obținute se referă la mai multe proprietăţi ale creierului, nerezumându-se doar la descrierea lui anatomică.
Decriptarea acestor informaţii şi extragerea unor parametri care să ajute în definirea mai bună a transformărilor apărute în creierul sau măduva bolnavă reprezintă o direcţie în acelaşi timp interesantă şi cu un mare potenţial.
Dacă urmărim exemplul din Figura 2, observăm că, dincolo de imaginea spectaculoasă a structurii măduvei spinării unui pacient care a suferit un traumatism al coloanei cervicale, se află date care pot fi corelate cu starea lui clinică şi pot aduce o contribuţie fundamentală la alegerea tratamentuluişi stabilirea mai precisă a evoluţiei sale viitoare.
Există deja metode paralele care să analizeze imaginile obţinute prin rezonanţă magnetică nucleară, dar se pot dezvolta altele noi şi, mai important poate, se poate automatiza o bună parte din procesul de extragere şi analiză a datelor.

Fig. 2 – Reprezentarea grafica în programul de analiza a anizotropiei fracționate (stânga) și a fibrelor (dreapta), obținute din tractografia RMN

Modele care ne ajută să înțelegem atacurile cerebrale
Un alt exemplu foarte interesant vine din domeniul chirurgiei vaselor de sânge ale creierului. Înţelegerea bolilor acestora şi a felului în care apar este o chestiune de mare actualitate. Formarea unui anevrism intracranian implică probleme complexe de dinamică a fluidelor şi renitență a materialelor la flux. Sunt concepute deja metode de modelare atât a fluxului în vasele normale şi în anevrism, cât şi a presiunii în peretele acestora, însă suntem departe de a putea face acest lucru uşor repetabil pentru fiecare caz în parte. Pe de altă parte, rămân numeroase întrebări la care se caută soluţii şi numeroase direcţii de investigat prin softuri dedicate.
Medici asistați de roboți
Educaţia neurochirurgicală, din perspectiva complexităţii „materiei”, dar şi a gradului de responsabilitate pe care îl implică, este o aplicaţie de importanță fundamentală. Tehnologiile informaţiei vin să ajute enorm în acest domeniu prin crearea realităţii virtuale şi a mediilor virtuale care replică cu precizie realitatea pacientului. Există deja puse în practică exemple impresionante care permit inclusiv manipularea instrumentelor chirurgicale în mediul virtual şi feedbackul corespunzător (Fig. 3). Cu toate acestea, vorbim de un domeniu aflat la începuturile lui, cu un potenţial de extindere aplicată extrem de vast.
Nu în ultimul rând, neurochirurgia este domeniul în care robotica poate aduce un beneficiu imens. Roboţii asigură asistenţă mecanică în efectuarea gesturilor chirurgicale, oferindu-le o mai mare precizie şi acurateţe, permiţând, totodată, automatizarea unora dintre ele. În acelaşi timp, anumite traturi ale roboţilor pot îmbunătăţi semnificativ performanţa chirurgicală, prin anularea completă a tremorului mâinii sau scalarea mişcărilor acesteia. Roboţii contemporani lucrează în tandem cu operatorul uman pentru a combina avantajele raţionamentului uman cu capacităţile roboţilor de a oferi informaţii, de a optimiza localizarea în spaţiu a unui obiect în mişcare, de a asigura operaţia în poziţii dificile sau fără oboseală. Roboţii chirurgicali trebuie să asigure orientarea spaţială între operatorul uman şi manipulatorii robotici, ceea ce se poate obţine prin crearea de realităţi virtuale care recreează cu precizie spaţiul chirurgical. Acest lucru permite chirurgului să efectueze operaţia cu avantajul unei asistențe mecanice, dar cu prezenţa simţurilor sale, esenţiale în intervenţie.

Fig. 3 – Instantanee din softurile de realitate virtuală existente în prezent

Virtual Reality este noul aliat
Deşi în plină dezvoltare, lucrurile nu sunt nici pe departe unde ne-am dori. Costurile mari de dezvoltare a tehnologiilor, complexitatea recreării simţurilor umane la acelaşi nivel de performanţă şi limitările capacităţii de procesare ne explică nivelul la care suntem azi. Un mediu VR perfect trebuie să asigure o procesare a informaţiei senzoriale la viteze egale sau mai mari cu cele ale creierului uman, astfel încât să fie înlăturată complet perioada de pauză între output şi input. În cazul sistemelor haptice, viteza de refresh trebuie să fie de cel puţin 500 Hz (un impuls la fiecare 2ms) pentru ca oamenii să perceapă feedback-ul ca fiind continuu. Dacă viteza e mai mică, operatorul uman va simţi pauzele dintre reînnoirile de informaţii.
O altă dificultate majoră constă în modelarea precisă în spaţiul VR a ţesutului uman. Modelele 3D existente derivă textura suprafeţei creierului şi o replică, ceea ce înseamnă, automat, că diferenţele dintre creierul real și cel virtual sunt destul de mari.
Medicina și IT, două științe care lucrează împreună
Am trecut împreună prin câteva zone de intersecţie semnificativă între medicină, neurochirurgie, în particular, şi tehnologiile informaţiei. Departe de a fi două domenii fără nimic în comun, cele două ştiinţe sunt aliaţi puternici în încercarea de a aborda un sistem de o complexitatea copleşitoare, cum este sistemul nervos uman, în aşa fel încât să îl înţelegem mai bine, să îl manipulăm, chirurgical sau altfel, cu riscuri minime şi să îmbunătăţim semnificativ felul în care îi tratăm bolile. De la analiza complexă de date și modelarea multiplelor sale funcţii şi fenomene fizice până la crearea unui spaţiu virtual asistat de roboţi, punctele în care cele două ştiinţe trebuie să colaboreze, şi o pot face cu un scop şi o finalitate de mare semnificație, sunt numeroase şi extrem de lucrative.

• Bibliografie: Apuzzo MLJ, Liu CY, Sullivan D, Faccio RA. Surgery of the modern cerebrum – a collective modernity, Neurosurg Suppl, 61:S1: 5-31, 2007 Chan, S, Conti, F, Salisbury, K, Blevins, NH. Virtual Reality Simulation în Neurosurgery: Technologies and Evolution, Neurosurg Suppl, 72:S1: 154-164, 2013