Molte malattie neurodegenerative si diffondono dirottando i circuiti connettivi del cervello per trasportare proteine ​​tossiche, che gradualmente si accumulano e scatenano i sintomi delle demenze. Ora, ricercatori dello Stevens Institute of Technology e colleghi hanno modellato il modo in cui queste proteine ​​tossiche si diffondono nel cervello per riprodurre i modelli rivelatori di atrofia associati al morbo di Alzheimer, Morbo di Parkinson, e sclerosi laterale amiotrofica, o SLA.

Il lavoro, da pubblicare nel numero del 12 ottobre di Lettere di revisione fisica , potrebbe aprire una nuova frontiera nella modellazione del cervello al computer, in quanto evidenzia un primo passo verso il collegamento tra approcci micro e macro, dall'interazione delle singole molecole all'analisi dell'immagine medica dell'intero cervello. Può anche ampliare la comprensione fondamentale di queste malattie, che si stima colpirà più di 12 milioni di americani entro i prossimi 30 anni se non verrà controllata.

"Questo è un primo tentativo di colmare le scale tra il livello cellulare e il livello dell'intero organo, ", afferma l'autore principale Johannes Weickenmeier, un professore di ingegneria meccanica a Stevens. "La chiave è accoppiare la biochimica alla biomeccanica del cervello per comprendere meglio le dinamiche di queste malattie".

In qualità di ricercatore post-dottorato, Weickenmeier ha aperto la strada a una tecnica per costruire un cervello digitale utilizzando un software di modellazione 3D per organizzare più di 400, 000 blocchi virtuali a forma di piramide, ricostruire blocco per blocco la struttura altamente piegata e curva. "È una forma d'arte, " dice Weickenmeier. " Ricostruire tutte quelle pieghe individuali è piuttosto difficile."

Ha poi sovrapposto il suo modello con i dati raccolti dall'imaging del tensore di diffusione, che rivela le direzioni dei segnali che passano attraverso il cervello. Alcune strutture cerebrali trasportano segnali prevalentemente in direzioni specifiche, quindi il modello digitale cattura non solo le caratteristiche anatomiche del cervello, ma anche il modo in cui i segnali elettrochimici li attraversano.

Per modellare la diffusione delle proteine ​​tossiche attraverso il cervello, Weickenmeier e il suo team, compresi i colleghi Ellen Kuhl di Stanford e Alain Goriely di Oxford, equazioni usate simili a quelle che descrivono come il calore si diffonde attraverso i materiali.

Hanno scoperto che mentre diverse malattie neurodegenerative implicano spesso biochimica molto diversa e producono sintomi molto diversi, il modello potrebbe riprodurre i modelli rivelatori di atrofia associati all'Alzheimer, Morbo di Parkinson, e altre malattie neurodegenerative, semplicemente modificando i punti di partenza delle proteine ​​tossiche nel cervello.

"Questi modelli di atrofia sono emersi intrinsecamente dal nostro sistema, " dice Weickenmeier.

Le proteine ​​tossiche vengono "seminate" in luoghi diversi per diverse malattie, Weickenmeier spiega, e la loro diffusione nel cervello, e quindi i sintomi che producono, è dettata dai percorsi connettivi a loro disposizione. La biochimica conta ancora, ma l'efficacia della simulazione suggerisce che anche la neuroanatomia e la connettività giocano un ruolo chiave nel mediare la progressione delle malattie neurodegenerative.

Simulazioni più raffinate potrebbero un giorno accelerare la diagnosi prevedendo i sintomi, o aiutare i ricercatori a sviluppare nuovi trattamenti. Però, la modellazione digitale del cervello è nelle sue fasi iniziali, in parte perché ci sono relativamente pochi dati rispetto ai quali giudicare le previsioni del modello. Allo stesso tempo, tecniche di imaging cerebrale in grado di visualizzare queste malattie sono attivamente sviluppate dalla comunità di neuroimaging.

"Una volta che abbiamo quelli, saremo in grado di calibrare i nostri modelli per fare previsioni accurate e specifiche per il paziente in futuro, "dice Weickenmeier.

Il potenziale del modello si estende anche ad altre malattie. Meccanismi simili sono alla base della sclerosi multipla, così come l'encefalopatia traumatica cronica, o CTE, una malattia che probabilmente colpisce le persone esposte a ripetuti colpi alla testa, dalle cheerleader ai calciatori.

"Queste malattie rilevanti dal punto di vista medico, come il morbo di Alzheimer e altre malattie neurodegenerative sono la motivazione per i nostri modelli "in silico", " dice Weickenmeier. "Ci permettono di eseguire strategicamente diverse simulazioni per testare ipotesi individuali di progressione della malattia e vedere quali nuovi approcci sembrano promettenti".