Pētījumā apvienota neirozinātne un datorzinātne, lai atjaunotu sarežģītus bioloģiskos procesus un novērtētu terapeitiskās stratēģijas kontrolētā vidē. Kāpēc šāda pieeja varētu mainīt neirodeģeneratīvo slimību izpēti. Datoru simulāciju izmantošana, lai prognozētu slimības attīstību, šķiet kā kaut kas no zinātniskās fantastikas. Tomēr šodien tas ir reāls instruments, kas sāk pārveidot medicīnas pētījumus. Starptautiska zinātnieku komanda izstrādāja datoru modeļus, kas spēj prognozēt, kā neuroni amiotrofiskā laterālā sklerozē (ALS), smagā neirodeģeneratīvā slimībā, kas ietekmē kustības un muskuļu spēku, pasliktinās. Projektu vadīja St Andrews Universitātes pētnieki sadarbībā ar Kopenhāgenas Universitāti un Drekselas Universitāti. Kā informēja Skotijas universitāte, šīs simulācijas ļauj novērot slimības attīstību, virtuāli izmēģināt iespējamos ārstēšanas veidus un samazināt atkarību no eksperimentiem ar dzīvniekiem. Vienkārši izsakoties, zinātnieki veido neironu grupu darbības “digitālās kopijas”, lai pētītu, kas notiek, kad slimība progresē, un kā šo procesu varētu apturēt. Pētījums publicēts žurnālā Neurobiology of Disease.
Kas ir ALS un kāpēc to ir tik grūti pētīt
Amiotrofiskais laterālais sklerozs ir slimība, kas pakāpeniski bojā motoros neironus, t. i., nervu šūnas, kas ļauj smadzenēm sūtīt komandas muskuļiem. Laika gaitā cilvēki zaudē spēku, kustīgumu,spēju runāt, norīt vai elpot.
Pasaulē ALS skar aptuveni divus cilvēkus uz 100 000 iedzīvotāju gadā. Lai gan tā ir reta slimība, tās ietekme ir ļoti liela, jo tai nav ārstēšanas un tā parasti strauji progresē.
Viens no lielākajiem izaicinājumiem tās izpētē ir tas, ka izmaiņas nervu sistēmā notiek pakāpeniski un vairākos līmeņos. Tradicionāli pētnieki izmanto ģenētiski modificētas peles, lai imitētu cilvēka slimību. Šie modeļi ļauj novērot noteiktus aspektus, bet tiem ir ierobežojumi: tos parasti analizē konkrētos brīžos, un tie neļauj viegli izpētīt visus deģeneratīvā procesa starpposmus.
Digitālās simulācijas: virtuāla laboratorija
Lai pārvarētu šos ierobežojumus, zinātnieki izstrādāja datorizētus modeļus, kas spēj simulēt veselas neironu populācijas. Šīs simulācijas darbojas kā virtuāla laboratorija, kurā var daudzkārt atkārtot eksperimentus, mainīt apstākļus un novērot, kas notiek, neiejaucoties tieši dzīvajā organismā.
Tādējādi ir iespējams analizēt, kas notiek, ja tiek zaudēti noteikti neironi, kā tas ietekmē komunikāciju starp tiem vai kas notiktu, ja ārstēšana spētu aizsargāt daļu sistēmas.
Tas ļauj, piemēram, analizēt, kas notiek, ja tiek zaudēti noteikti neironi, kā tas ietekmē komunikāciju starp tiem vai kas notiktu, ja ārstēšana spētu aizsargāt daļu sistēmas.
Turklāt šī pieeja palīdz samazināt dzīvnieku izmantošanu pētniecībā, kas no ētiskā un zinātniskā viedokļa kļūst arvien svarīgāk.
Kā darbojas modelis
Modelis izmanto tā sauktos spiegu tīklus, kas imitē veidu, kā reālie neironi sazinās ar elektrisko impulsu palīdzību. Lai to labāk izprastu, var iedomāties pilsētu, kas savienota ar autoceļu tīklu. Katrs neirons būtu māja, savienojumi darboties kā ielas, bet elektriskie impulsi būtu automašīnas, kas pārvadā informāciju no viena punkta uz otru.
Kad ceļi ir labi savienoti un brīvi, satiksme plūst normāli. Bet, ja daži ceļi tiek bloķēti vai sabojāti, satiksme kļūst lēna, haotiska vai pat neiespējama. Kaut kas līdzīgs notiek, kad neironi tiek bojāti vai zaudē savienojumus neirodeģeneratīvā slimībā.
Simulācijā pētnieki var “iznīcināt” virtuālos neironus vai samazināt to savienojumus, lai imitētu ALS attīstību. Viņi var darīt arī pretēji: stiprināt savienojumus vai saglabāt noteiktus neironus, lai simulētu iespējamos ārstēšanas veidus.
Kopenhāgenas Universitātes pētnieks Beck Strohmer paskaidroja, ka modelis ļauj atjaunot slimībai raksturīgo neironu bojājumus un vienlaikus novērtēt stratēģijas, kas varētu aizsargāt nervu sistēmu.
Validācija reālos bioloģiskos modeļos
Lai gan simulācijas ir ļoti spēcīgas, tās pilnībā neaizstāj pētījumus dzīvos organismos. Pētnieki paši precizē, ka rezultāti ir jāvalidē dzīvniekos, pirms izdarīt klīniskus secinājumus.
Šajā projektā komanda izmantoja datorizētu modeli, lai prognozētu, ka konkrēta ārstēšana saglabātu noteiktu neironu veidu. Pēc tam viņi veica eksperimentus ar pelēm un pārbaudīja, vai šī prognoze piepildās.
Šis solis ir ļoti svarīgs: tas pierāda, ka modelis ne tikai rada interesantas hipotēzes, bet arī spēj paredzēt reālos rezultātus.
Saskaņā ar St Andrews Universitātes profesoru Ilary Alodi, šie rīki palīdz labāk plānot eksperimentus, zināt, kur meklēt un ko mērīt, optimizējot laiku, resursus un precizitāti.
Kas varētu mainīties nākotnē
Ilgtermiņa mērķis ir izmantot šos modeļus, lai labāk izprastu dažādas neirodeģeneratīvās slimības, ne tikai ALS. Komanda plāno piemērot šīs simulācijas konkrētām smadzeņu reģioniem, lai pētītu procesus, kas saistīti ar demenci un citām patoloģijām.
Nākotnē šie rīki varētu palīdzēt izvēlēties daudzsološākus ārstēšanas veidus, pirms tos pārbauda klīniskajos pētījumos, samazināt pētniecības izmaksas un paātrināt terapiju attīstību.
Tie arī paver ceļu uz personalizētāku medicīnu, kur modeļus var pielāgot katra pacienta vai slimības veida specifiskajām īpašībām.
Kopumā bioloģijas un datorzinātnes apvienojums ļauj skatīties uz smadzenēm no jauna skatpunkta: ne tikai kā uz orgānu, ko pēta laboratorijā, bet arī kā uz sarežģītu sistēmu, ko var modelēt, simulēt un izprast digitālajā vidē.
Lai gan šī pieeja neapņemas sniegt tūlītējus risinājumus, tā ir solis pareizajā virzienā, lai pētījumi kļūtu precīzāki, ētiskāki un efektīvāki, kā arī paātrinātu atklājumus neirodeģeneratīvo slimību jomā.
