Digitale Zwillinge des Gehirns verändern Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen
Die Prävalenz neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson wird voraussichtlich zunehmen, ebenso wie die damit verbundenen Gesundheitskosten. Die Frühdiagnose stellt eine erhebliche Herausforderung dar, ebenso wie die variable Pathologie, die wirksame Behandlungen verhindert und eine individuelle Diagnostik und Intervention erfordert.
Virtuelle Forschungsumgebung für neurodegenerative Erkrankungen
Ziel des EU-finanzierten Projekts VirtualBrainCloud war es, eine Lösung für die personalisierte Medizin zu entwickeln, die auf einer cloudbasierten Umgebung basiert, die Zugang zu multidisziplinären klinischen Daten und Gehirnsimulationen für die Entscheidungsfindung bietet. Es umfasst mehrere Plattformen und Instrumente, die beispielsweise im Rahmen der Initiativen Human Brain Project und IMI-AETIONOMY erstellt wurden. „Die Idee bestand darin, Instrumente für die Integration der Gesundheitsdaten einzelner Erkrankter in digitale Zwillinge bereitzustellen und Simulationen dieser Zwillinge in einer geschützten Umgebung durchzuführen“, erläutert Petra Ritter, Projektkoordinatorin und Professorin für Neurowissenschaften an der Charité – Universitätsmedizin Berlin in Deutschland. VirtualBrainCloud ist Teil der Europäischen Cloud für offene Wissenschaft, einer europaweiten Initiative für das Hosting und die Verarbeitung von Forschungsdaten zur Unterstützung der EU-Wissenschaft. Die Europäische Cloud für offene Wissenschaft bietet der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Umgebung, Instrumente und Dienste zur Veröffentlichung und Erforschung von Daten für Forschungszwecke.
Simulation des gesamten Gehirns und personalisierte Diagnostik
VirtualBrainCloud verfolgt das Ziel, den Bereich der Neurodegeneration zu revolutionieren, indem es die Möglichkeiten von Big Data und Hochleistungsrechentechnik nutzt. Forschende und medizinische Fachleute analysierten Multi-Omik- und Neurobildgebungsdaten auf ihre Vorhersagekraft und klinische Durchführbarkeit. Neben strengen Kriterien für die Biomarker-gestützte Klassifizierung von Erkrankten wurden diese in Modelle für den Krankheitsverlauf und das Gehirnnetzwerk integriert. „Durch die Anwendung von Klassifizierungsalgorithmen des maschinellen Lernens auf Daten aus der Simulation digitaler Zwillinge ist es möglich, neue Krankheitsmechanismen zu ermitteln oder Krankheitsverläufe vorherzusagen“, skizziert Ritter. Ein Hauptziel war es, Gehirnavatare zu simulieren, die Strukturen und Netzwerke einzelner Erkrankter enthalten, um grundlegende Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns zu gewinnen. VirtualBrainCloud-Simulationen optimierten den diagnostischen Wert empirischer klinischer Merkmale, was zu einer besseren Klassifizierung von Erkrankten mit verschiedenen Stadien der Neurodegeneration führte. Ritter erklärt dazu: „Die VirtualBrainCloud-Plattform bietet zudem ein Empfehlungssystem zur Senkung des Demenzrisikos.“ Zudem wurde die VirtualBrainCloud-Plattform genutzt, um die Tiefenhirnstimulation virtuell zu simulieren, ein Neuromodulationsverfahren, das zur Behandlung zahlreicher neurologischer Erkrankungen, einschließlich der Parkinson-Krankheit, eingesetzt wird. Die Plattform bot eine mehrstufige Simulation des Ergebnisses der Tiefenhirnstimulation, was darauf hindeutet, dass sie nach ihrer Validierung als Modell vor einer invasiven Operation dienen könnte.
EU-Datenschutzvorschriften einhalten
Das Konsortium bezog Erkrankte, die Gesellschaft und Verantwortliche der Politik in die Entwicklung der VirtualBrainCloud-Plattform ein. So wurde sichergestellt, dass die sensiblen Gesundheitsdaten, einschließlich der Ergebnisse von Neurobildgebung und Gehirnmodellierung, den Richtlinien der EU-Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) entsprachen. Insgesamt wurde über das Projekt der derzeitige Mangel an digitalen Forschungsdateninfrastrukturen behoben, die Forschungsteams die Flexibilität bieten, sensible Daten in isolierten Computerumgebungen gemeinsam und privat zu verarbeiten und eigene Verarbeitungsabläufe zu schaffen. Die erfolgreiche Implementierung der cloudbasierten Gehirnsimulationsplattform soll die personalisierte Diagnostik und Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen unterstützen. Gleichzeitig wird ihr Vorhersagewert die Prävention fördern und die Qualität der Versorgung erhöhen und so zu einem nachhaltigeren europäischen Gesundheitssystem beitragen.
Schlüsselbegriffe
VirtualBrainCloud, Neurodegeneration, neurodegenerative Erkrankung, Simulationsplattform, Klassifizierung, Netzwerk, Tiefenhirnstimulation, digitaler Zwilling
