Atlas 3D mescla dissecção cerebral e imagens para mapeamento detalhado da substância branca

BraDiPho (Fotogrametria de Dissecção Cerebral) é uma ferramenta inovadora para o estudo das conexões da substância branca no cérebro humano. O mapa realista foi desenvolvido por um grupo de pesquisadores da Universidade de Trento, do Serviço Provincial de Saúde de Trento, da Fondazione Bruno Kessler e das Universidades de Bordeaux e Sherbrooke.

O artigo publicado relata os resultados de mais de 5 anos de colaboração e apresenta um novo instrumento que a comunidade científica pode usar para integrar com precisão dados de dissecção ex-vivo e tratografia in vivo. Estas duas técnicas complementares nunca foram integradas até agora no estudo das conexões da substância branca humana, o que confirma uma nova tendência de investigação onde convergem competências multidisciplinares, neste caso a neurociência clínica e a inteligência artificial.

O estudo abre novas fronteiras para a neurocirurgia no tratamento de tumores cerebrais e na abordagem de doenças neurológicas degenerativas, e na neuro-reabilitação para aproveitar o potencial da plasticidade cerebral.

BraDiPho foi apresentado em artigo publicado em Comunicações da Naturezacom Laura Vavassori como primeira autora. É doutoranda no Centro de Ciências do Cérebro/Mente (Cimec) da Universidade de Trento.

Adotando uma abordagem interdisciplinar que combina neurociência clínica, inteligência artificial e neuroanatomia, o trabalho de pesquisa foi coordenado por Silvio Sarubbo, professor do Centro de Ciências Médicas (Cismed), do Cimec e do Departamento de Biologia Celular, Computacional e Integrativa (Cibio) da UniTrento e diretor da Unidade Operacional de Neurocirurgia do Hospital Santa Chiara de Trento; Paolo Avesani, chefe do Laboratório de Neuroinformática (NILab) do Centro de Inteligência Aumentada da Fondazione Bruno Kessler; e Laurent Petit, pesquisador da Universidade de Bordeaux. A colaboração entre as Unidades Operatórias de Neurocirurgia e de Anatomia Patológica, esta última liderada por Mattia Barbareschi, professor do Cismed e do Departamento Cibio, desempenhou um papel crucial, nomeadamente para os laboratórios e peças anatómicas que disponibilizaram.

Silvio Sarubbo explica a inovação que posiciona Trento como um ponto de referência global com uma metáfora eficaz: o cérebro humano é um mundo, e BraDiPho é um mapa 3D que permite aos profissionais identificar as vias das funções cerebrais e orientar-se com precisão na preparação de procedimentos neurocirúrgicos ou no estudo e ensino da anatomia neuronal.

Esta ferramenta serve de guia na investigação da substância branca, área em que a Itália e a Europa são líderes, abrindo novas perspectivas terapêuticas tanto na neuro-oncologia como na neuromodulação, “reconhecida como uma das novas fronteiras para o tratamento de diversas doenças neurológicas e psiquiátricas”.

O ponto de partida

“O conhecimento das estruturas de ligação do cérebro é muito importante no ambiente clínico e a comunidade científica está a trabalhar arduamente para expandir esse conhecimento”, explica Sarubbo.

“Acima de tudo, estamos tentando trabalhar da forma menos invasiva possível. Nos últimos vinte anos, a tractografia por ressonância magnética por difusão tem sido amplamente utilizada para reconstruir caminhos de fibras: esta tecnologia calcula o coeficiente de difusão na água dentro da substância branca e retorna uma imagem derivada.

“Essa tecnologia, no entanto, tem algumas limitações e produz muitos falsos positivos. Portanto, é necessário voltar à anatomia básica para validar os resultados. Até agora, a única maneira de fazer isso tem sido através de microdissecções, o que significa dissecar os tecidos ex-vivo em laboratório.”

Milhares de imagens retornam um modelo 3D

Conforme explicam os pesquisadores, o problema até agora tem sido a falta de uma forma de integrar o ex-vivo ao espaço in vivo, e esse foi o ponto de partida da pesquisa. O artigo, na verdade, é a história de como as equipes de Sarubbo e Avesani resolveram esse problema, conseguindo reproduzir fielmente a anatomia ex-vivo de forma virtual. Eles fizeram isso com BraDiPho.

“Pela primeira vez, esse instrumento coloca uma peça anatômica em um espaço radiológico”, afirma o neurocirurgião. “Agora a anatomia ex-vivo e in-vivo podem fundir-se, e podemos fazer comparações, intersectá-las e fazer medições quantitativas: em termos simples, fazer uma avaliação que não seja apenas qualitativa (isto é, visual), mas também quantitativa.

“Em vez de fazer uma única imagem da dissecação do espécime, fazemos milhares, em momentos diferentes. Estamos falando de milhares de fotografias tiradas por duas câmeras de altíssima resolução que tiram uma foto a cada grau em 360 graus, de diferentes ângulos, que, graças também à inteligência artificial, se tornam um modelo 3D do espécime anatômico em altíssima resolução.

O papel da inteligência artificial

“A inteligência artificial”, lembra Avesani, “dá uma contribuição decisiva para a reconstrução individual da conectividade cerebral, permitindo a análise personalizada das redes de fibras e suas variações anatômicas. Mas sabemos que, principalmente no ambiente clínico, seus resultados devem ser interpretáveis ​​e explicáveis.

“Se olharmos para o futuro da medicina personalizada”, continua Avesani, “um dos principais desafios é distinguir entre diferenças interindividuais intrínsecas e desvios patológicos do modelo canónico. A inteligência artificial é uma ferramenta essencial para enfrentar este desafio, graças à sua capacidade de integrar e analisar dados multidimensionais e altamente complexos”.

Novas fronteiras para cirurgia, clínica e ensino

Até o momento, 12 peças anatômicas foram traduzidas para fotogrametria e estão disponíveis online gratuitamente para toda a comunidade científica. No artigo, diz Sarubbo, apresentamos “um novo método de validação e certificação da informação anatômica: todos os laboratórios do mundo poderão baixar as dissecações anatômicas e as reconstruções tractográficas que usamos como exemplo.

“Em qualquer Departamento de Neurocirurgia do mundo”, continua, “um neurocirurgião pode baixar os modelos e sobrepor o tumor do caso que vai operar, vê-lo no contexto estrutural, aprender sua anatomia e planejar melhor a estratégia de tratamento”.

Um verdadeiro mapa que guiará as mãos dos neurocirurgiões pelos sistemas funcionais sem risco de danificá-los. Sarubbo explica: “É um verdadeiro atlas do cérebro, um recurso para comparar o ex-vivo e o in-vivo e reconstruir substancialmente a anatomia real, e é muito útil para planejar e estudar os procedimentos, mas também para ensinar futuros médicos e especialistas. Já utilizamos a ferramenta para esse fim na Universidade de Trento para o curso de Anatomia das Funções Cerebrais”.

Mas saber exatamente como é feito o cérebro humano também significa poder atuar em outras frentes. Sarubbo diz: “Essa tecnologia vai além do ambiente acadêmico. Significa também ser capaz de tomar decisões cirúrgicas. Do ponto de vista clínico, por exemplo, no tratamento de alguns distúrbios neurológicos, é muito útil saber qual parte do cérebro degenera primeiro e onde intervir para regenerar, estimular ou neuromodular.

“A neuromodulação é a nova fronteira no tratamento de diversas doenças neurológicas, como distúrbios do movimento como o mal de Parkinson. Os tratamentos nesses casos envolvem, por exemplo, a estimulação de estruturas cerebrais profundas.