Muitas doenças neurodegenerativas se espalham sequestrando o circuito conectivo do cérebro para transportar proteínas tóxicas, que gradualmente se acumulam e desencadeiam sintomas de demências. Agora, pesquisadores do Stevens Institute of Technology e colegas modelaram como essas proteínas tóxicas se espalham pelo cérebro para reproduzir os padrões reveladores de atrofia associados à doença de Alzheimer, Mal de Parkinson, e esclerose lateral amiotrófica, ou ALS.

O trabalho, a ser publicado na edição de 12 de outubro de Cartas de revisão física , poderia abrir uma nova fronteira na modelagem do cérebro do computador, uma vez que destaca um primeiro passo para unir as abordagens micro e macro - da interação de moléculas individuais à análise de imagens médicas de todo o cérebro. Também pode expandir a compreensão fundamental dessas doenças, que se estima que afete mais de 12 milhões de americanos nos próximos 30 anos, se não for controlada.

"Esta é uma primeira tentativa de estabelecer uma ponte entre o nível celular e o nível de todo o órgão, "diz o autor principal Johannes Weickenmeier, professor de engenharia mecânica na Stevens. "A chave é acoplar a bioquímica à biomecânica do cérebro para entender melhor a dinâmica dessas doenças."

Como pesquisador de pós-doutorado, Weickenmeier foi o pioneiro em uma técnica para construir um cérebro digital usando software de modelagem 3-D para organizar mais de 400, 000 blocos virtuais em forma de pirâmide, reconstruindo bloco por bloco a estrutura altamente dobrada e curva. "É uma forma de arte, "diz Weickenmeier." Reconstruir todas essas dobras individuais é muito difícil. "

Ele então sobrepôs seu modelo com dados coletados de imagens de tensor de difusão, que revela as direções dos sinais que passam pelo cérebro. Algumas estruturas cerebrais carregam sinais predominantemente em direções específicas, então o modelo digital captura não apenas as características anatômicas do cérebro, mas também a forma como os sinais eletroquímicos fluem através deles.

Para modelar a propagação de proteínas tóxicas através do cérebro, Weickenmeier e sua equipe, incluindo colegas Ellen Kuhl de Stanford e Alain Goriely de Oxford, usaram equações semelhantes às que descrevem como o calor se difunde pelos materiais.

Eles descobriram que, embora diferentes doenças neurodegenerativas frequentemente envolvam bioquímica muito diferente - e produzam sintomas muito diferentes - o modelo pode reproduzir os padrões reveladores de atrofia associados à doença de Alzheimer, Mal de Parkinson, e outras doenças neurodegenerativas, simplesmente mudando os pontos de partida das proteínas tóxicas no cérebro.

"Esses padrões de atrofia surgiram inerentemente de nosso sistema, "Weickenmeier diz.

Proteínas tóxicas são "semeadas" em diferentes lugares para diferentes doenças, Weickenmeier explica, e sua propagação pelo cérebro - e, portanto, os sintomas que produzem - é ditada pelas vias conectivas disponíveis para eles. A bioquímica ainda importa, mas a eficácia da simulação sugere que a neuroanatomia e a conectividade também desempenham papéis importantes na mediação da progressão de doenças neurodegenerativas.

Simulações mais refinadas podem um dia acelerar o diagnóstico, prevendo sintomas, ou ajudar os pesquisadores a desenvolver novos tratamentos. Contudo, a modelagem digital do cérebro está em seus estágios iniciais, em parte porque há relativamente poucos dados para julgar as previsões do modelo. Ao mesmo tempo, técnicas de imagem cerebral que podem visualizar essas doenças estão sendo ativamente desenvolvidas pela comunidade de neuroimagem.

"Assim que tivermos isso, poderemos calibrar nossos modelos para fazer previsões específicas do paciente no futuro, "diz Weickenmeier.

O potencial do modelo se estende a outras doenças também. Mecanismos semelhantes sustentam a esclerose múltipla, bem como encefalopatia traumática crônica, ou CTE, uma doença que provavelmente afeta pessoas expostas a impactos repetidos na cabeça, de líderes de torcida a jogadores de futebol.

"Essas doenças clinicamente relevantes, como a doença de Alzheimer e outras doenças neurodegenerativas são a motivação para os nossos modelos 'in silico', "diz Weickenmeier." Eles nos permitem rodar estrategicamente diferentes simulações para testar hipóteses individuais de progressão da doença e ver quais novas abordagens parecem promissoras. "