Цифрові двійники вже використовуються у виробництві, промисловості та аерокосмічної галузі. Тепер європейський проект Neurotwin хоче зробити віртуальні копії мозку.
Цифрові двійники, віртуальні копії реальних речей, вже стали основним елементом виробництва, промисловості та аерокосмічної галузі: Існують цифрові двійники міст, портів і електростанцій. Вперше цей термін був введений в 2010 році дослідником NASA Джоном Вікерсом в доповіді про технологічні дорожні картах агентства. За оцінками галузевих аналітиків, до 2026 року ринок цифрових двійників може досягти майже 50 мільярдів доларів.
Цифрові двійники мозку
Незабаром ця ідея проникла в біологію. У 2016 році Білл Рух, тодішній виконавчий директор GE Digital, передбачив, що “у нас буде цифровий двійник при народженні, і він буде збирати дані з датчиків, якими все користуються, і цей цифровий двійник буде передбачати нам хвороби, рак та інші речі”. Цифровий близнюк може надати інформацію про індивідуальний лікуванні пацієнта і передбачити, як може розвиватися його хвороба. Його можна навіть використовувати для тестування потенційних методів лікування, замість того щоб відчувати їх на пацієнтах – процес, який може бути пов’язаний з ризиком.
Поки що ці проекти знаходяться в основному на ранніх стадіях. Дослідницька програма під назвою Echoes, в якій беруть участь вчені з Європи, Великобританії та США, працює над створенням цифрового серця. Siemens Healthineers, німецька компанія з виробництва медичного обладнання, прагне зробити те ж саме. Dassault Syst?mes, французька компанія з розробки програмного забезпечення, об’єдналася з Управлінням з контролю за продуктами і ліками США, щоб схвалити те, що вона називає “Живе серце”. Австрійська компанія Golem створює цифрових двійників вразливих людей, що живуть на самоті. Ідея полягає в тому, що цифровий двійник постійно стежить за їх здоров’ям, попереджаючи доглядальниць, якщо вони хворіють і потребують допомоги.
Тепер дослідники прагнуть до найвищої мети: створити двійника мозку. В рамках проекту Neurotwin, що фінансується ЄС, планується створити комп’ютерну модель всього мозку окремого пацієнта.
Команда Neurotwin сподівається, що модель можна буде використовувати для прогнозування ефекту стимуляції при лікуванні неврологічних захворювань, включаючи епілепсію і хвороба Альцгеймера. Вони планують клінічні випробування, які почнуться в наступному році, і створять цифрових двійників близько 60 пацієнтів з хворобою Альцгеймера, які отримають лікування стимуляцією мозку, оптимізоване спеціально для їх мозку. Друге клінічне випробування, заплановане на 2023 рік, буде проводитися так само, але для пацієнтів зі стійкою до лікування фокальної епілепсією. Обидва випробування є доказом концепції, щоб визначити, чи працює даний підхід і чи може він поліпшити результати лікування цих пацієнтів. У разі успіху команда планує розширити свою технологію для вивчення інших аспектів мозку, наприклад, тих, які задіяні в розсіяному склерозі, реабілітації після інсульту, депресії і впливі психоделіків.
Приблизно третини пацієнтів з епілепсією ліки не допомагають. Було показано, що неінвазивна стимуляція, при якій електричні струми безболісно подаються в мозок, допомагає знизити частоту і інтенсивність припадків. Але ця технологія ще досить нова і потребує доопрацювання. Саме тут може виявитися корисним віртуальний мозок.
За словами Джуліо Руффіні, координатора проекту Neurotwin, головного наукового співробітника і співзасновника іспанської компанії Neuroelectrics, що займається розробкою неінвазивних методів лікування неврологічних захворювань, таких як епілепсія, цифровий аватар є математичну модель, працюючу на комп’ютері. Для створення цифрового двійника пацієнта з епілепсією команда Neurotwin бере близько півгодини даних МРТ і близько 10 хвилин показань ЕЕГ ( електроенцефалографії ) і використовує їх для створення комп’ютерної моделі, яка фіксує електричну активність мозку, а також реалістично імітує основні тканини мозку, включаючи шкіру голови, череп, спинномозкову рідину, сіре і біла речовина.
Двійник буде включати в себе мережу вбудованих “нейронних масових моделей”, – говорить Руффіні. Це, за його словами, обчислювальні моделі середньої поведінки безлічі нейронів, з’єднаних один з одним за допомогою “коннектома” пацієнта – карти нейронних зв’язків в мозку. У разі епілепсії деякі ділянки коннектома можуть перехвилюватися; в разі, скажімо, інсульту, коннектома може бути змінена. Після створення двійника команда може використовувати його для оптимізації стимуляції мозку реального пацієнта, “тому що ми можемо проводити нескінченні симуляції на комп’ютері, поки не знайдемо те, що нам потрібно”, – говорить Руффіні. “У цьому сенсі це схоже на обчислювальну модель прогнозування погоди”.
Наприклад, щоб поліпшити лікування пацієнта з епілепсією, він повинен носити головний убір кожен день протягом 20 хвилин, поки він доставляє транскраніальні електричні стимули в його мозок. Використовуючи цифровий двійник, Руффіні і його команда можуть оптимізувати положення стимулюючих електродів, а також рівень подається струму.
Цифровий двійник будь-якого органу відкриває цілий ряд етичних питань. Наприклад, чи має пацієнт право знати або не знати, якщо, скажімо, його близнюк пророкує, що через два тижні у нього трапиться серцевий напад? Що станеться з близнюком після смерті пацієнта? Чи будуть у нього свої юридичні або етичні права?
З одного боку, віртуальні двійники дають нам захоплюючі, революційні можливості для розробки нових методів лікування, каже Матіас Браун, фахівець з етики з Університету Ерланген-Нюрнберг ( Німеччина ), який писав про етичні аспекти використання цифрових двійників в охороні здоров’я. “Але, з іншого боку, це ставить перед нами складні завдання, – продовжує він. Наприклад, хто повинен володіти цифровим двійником? Компанії, яка його створює? “Або у вас є право сказати:” Я відмовляюся від використання конкретної інформації або конкретних прогнозів щодо мого медичного страхування або використання в інших контекстах? Щоб це не було посяганням на автономію або приватне життя, важливо, щоб конкретна людина контролював використання [ свого цифрового двійника ] “, – говорить він. Втрата такого контролю призведе до того, що Браун називає “цифровим рабством”.
Ана Майкес, генеральний директор Neuroelectrics, каже, що компанія вже зіткнулася з питанням про те, що станеться з надзвичайно особистими даними, на яких побудований цифровий двійник. “Коли ви робите такі персоналізації, ви повинні задавати складні питання, чи не так? Кому належатимуть ці дані? Що ви збираєтеся робити з даними? “- запитує вона.
Для аналізу етичних і філософських компонентів проекту були залучені дослідники, в тому числі Мануель Герреро, нейроетик з Університету Упсали, Швеція. Для проекту Neurotwin, що базується в Європі, зібрані дані будуть захищені Загальним регламентом захисту даних Європейського союзу ( GDPR ). Це означає, що будь-яке використання даних вимагає згоди їх власника, каже Герреро.
Герреро і його команда також вивчають, чи є термін “цифровий двійник”, який вперше був придуманий для виробництва, найбільш підходящим для копіювання чогось такого складного і динамічного, як живий мозок або серце. Чи може його використання привести до непорозуміння або завищеними очікуваннями в суспільстві? “Мозок набагато складніше, ніж інші типи двійників, які з’являються у виробничій системі, тому поняття двійника для мозку – це те, що в нейронауковому співтоваристві обговорюється”, – говорить він.
Створення мозку на багато порядків складніше, ніж моделювання серця або нирок, а також потенційно складніше з етичної точки зору. “Ми створюємо досить складні обчислювальні моделі мозку”, – говорить Руффіні. “На певному етапі, я думаю, стане неясно, наскільки цей цифровий двійник є цифровим двійником або це розумна істота”.
Браун вважає, що настав час задуматися над цими складними питаннями. “На мій погляд, це дійсно важливі проблеми, з якими ми повинні зараз зіткнутися”, – говорить він. “Ми знаємо, що відбувається, якщо просто сказати:” Ну, просто розробіть технологію, а потім подивимося “, – додає він, попереджаючи про небезпеки, які виникають при відкладанні етичних і моральних наслідків на більш пізній термін.
Але команда Neurotwin стверджує, що при правильному підході таке цифрове копіювання може значно поліпшити як результати лікування пацієнтів, так і наші знання про важко виліковних захворюваннях мозку. “Ми працюємо над тим, щоб дійсно допомогти людям, які страждають від захворювань мозку, з абсолютно іншої точки зору”, – говорить Мейкес. “Нам подобається називати це новою категорією терапевтичних засобів, де ви дійсно використовуєте силу фізики і математики для розшифровки мозку”. За матеріалами wired.com
