Muchas enfermedades neurodegenerativas se propagan al secuestrar los circuitos conectivos del cerebro para transportar proteínas tóxicas, que se acumulan gradualmente y desencadenan síntomas de demencias. Ahora, Los investigadores del Instituto de Tecnología Stevens y sus colegas han modelado cómo estas proteínas tóxicas se diseminan por todo el cerebro para reproducir los patrones reveladores de atrofia asociados con la enfermedad de Alzheimer. Enfermedad de Parkinson, y esclerosis lateral amiotrófica, o ELA.

La obra, que se publicará en la edición del 12 de octubre de Cartas de revisión física , podría abrir una nueva frontera en el modelado del cerebro por computadora, ya que destaca un primer paso hacia la unión de enfoques micro y macro, desde la interacción de moléculas individuales hasta el análisis de imágenes médicas de todo el cerebro. También puede ampliar la comprensión fundamental de estas enfermedades, que se estima que afectará a más de 12 millones de estadounidenses en los próximos 30 años si no se controla.

"Este es un primer intento de tender un puente entre las escalas entre el nivel celular y el nivel de todo el órgano, "dice el autor principal Johannes Weickenmeier, profesor de ingeniería mecánica en Stevens. "La clave es acoplar la bioquímica a la biomecánica del cerebro para comprender mejor la dinámica de estas enfermedades".

Como investigador postdoctoral, Weickenmeier fue pionero en una técnica para construir un cerebro digital mediante el uso de software de modelado 3-D para organizar más de 400, 000 bloques virtuales en forma de pirámide, reconstruyendo bloque a bloque la estructura altamente plegada y curvada. "Es una forma de arte, ", dice Weickenmeier." Reconstruir todos esos pliegues individuales es bastante difícil ".

Luego superpuso su modelo con datos obtenidos de imágenes del tensor de difusión, que revela las direcciones de las señales que pasan por el cerebro. Algunas estructuras cerebrales transmiten señales predominantemente en direcciones específicas, por lo que el modelo digital captura no solo las características anatómicas del cerebro, sino también la forma en que las señales electroquímicas fluyen a través de ellos.

Para modelar la propagación de proteínas tóxicas a través del cerebro, Weickenmeier y su equipo, incluidos los colegas Ellen Kuhl de Stanford y Alain Goriely de Oxford, utilizaron ecuaciones similares a las que describen cómo se difunde el calor a través de los materiales.

Descubrieron que, si bien las diferentes enfermedades neurodegenerativas a menudo implican una bioquímica muy diferente y producen síntomas muy diferentes, el modelo podría reproducir los patrones reveladores de atrofia asociados con la enfermedad de Alzheimer. Enfermedad de Parkinson, y otras enfermedades neurodegenerativas, simplemente cambiando los puntos de partida de las proteínas tóxicas en el cerebro.

"Estos patrones de atrofia surgieron inherentemente de nuestro sistema, "Dice Weickenmeier.

Las proteínas tóxicas se "siembran" en diferentes lugares para diferentes enfermedades, Weickenmeier explica:y su diseminación por el cerebro, y por lo tanto los síntomas que producen, está dictada por las vías conectivas disponibles para ellos. La bioquímica sigue importando, pero la eficacia de la simulación sugiere que la neuroanatomía y la conectividad también juegan un papel clave en la mediación de la progresión de las enfermedades neurodegenerativas.

Simulaciones más refinadas podrían algún día acelerar el diagnóstico mediante la predicción de síntomas, o ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos tratamientos. Sin embargo, el modelado digital del cerebro se encuentra en sus primeras etapas, en parte porque hay relativamente pocos datos contra los cuales juzgar las predicciones del modelo. Al mismo tiempo, La comunidad de neuroimágenes está desarrollando activamente técnicas de imágenes cerebrales que pueden visualizar estas enfermedades.

"Una vez que los tengamos, podremos calibrar nuestros modelos para realizar predicciones precisas específicas para el paciente en el futuro, "dice Weickenmeier.

El potencial del modelo se extiende también a otras enfermedades. Mecanismos similares sustentan la esclerosis múltiple, así como encefalopatía traumática crónica, o CTE, una enfermedad que probablemente afecta a personas expuestas a impactos repetidos en la cabeza, desde porristas hasta jugadores de fútbol.

"Estas enfermedades de importancia médica, como la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas son la motivación de nuestros modelos 'in silico', ", dice Weickenmeier." Nos permiten ejecutar estratégicamente diferentes simulaciones para probar hipótesis individuales de progresión de la enfermedad y ver qué nuevos enfoques parecen prometedores ".