Семь раз отмерь в цифре: в Новосибирске создают виртуальный полигон для нейрохирургов

Что, если перед сложнейшей операцией на мозге у хирурга появится возможность «прорепетировать» ее на точной виртуальной копии этого конкретного мозга? Узнать, как отреагируют нейронные связи, и выбрать самый безопасный сценарий? Эту технологию будущего впервые в России создают ученые в Новосибирске. По словам старшего преподавателя кафедры систем сбора и обработки данных НГТУ, кафедры нейрохирургии НГМУ и нейропсихолога Федерального центра нейрохирургии в Новосибирске Антона Пашкова, разработка, которая сейчас доступна лишь в нескольких центрах мира, призвана кардинально изменить подход к лечению эпилепсии, опухолей и других заболеваний нервной системы.

«Деловой квартал» поговорил с ученым о международном сотрудничестве вопреки всем барьерам и о том, когда виртуальные операции станут реальностью.

Как родилась идея проекта цифрового двойника мозга — это был ответ на конкретный клинический запрос или инициатива вашей исследовательской группы?

— Идея цифровых двойников мозга, конечно, не наша. Она существует давно, развивается в мире с начала 2010-х. Я бы выделил четыре основных центра, где крупные лаборатории и университеты занимаются этой проблемой: клиника «Шарите» в Берлине, университет Экс-Марсель во Франции, университет Торонто в Канаде и, наверное, университет имени Помпеу Фабра в Барселоне — там тоже есть сильные исследователи, работающие над созданием виртуального мозга.

Мы в определенный момент наткнулись на эти работы и оценили их с двух сторон. С одной — это фундаментальный научный интерес, любопытство в рамках исследований работы мозга. С другой — очевидная прикладная ценность, реальная возможность помочь пациентам с тяжелыми заболеваниями, которые поступают к нам на хирургическое лечение. Пока мы стартуем именно с нейрохирургии, но перспективы применения, безусловно, шире.

Значит, в России аналогов разработки цифрового двойника мозга пока не было? Это действительно новая для страны тема?

— Абсолютно верно. В России таких проектов пока не было. Да и в мире, как я уже сказал, это направление развивают относительно немногие группы. Там работают десятки исследователей, но нельзя сказать, что это повсеместная и массовая практика.

Однако, судя по нашим оценкам и по словам зарубежных коллег, с которыми мы общаемся, это технология с огромным потенциалом. Мы разделяем мнение, что если она будет успешно реализована, то в ближайшем будущем сможет кардинально изменить подход к диагностике и терапии целого ряда заболеваний.

Что такое цифровой двойник мозга, какие задачи он решает и как работает?

— Если говорить просто, то это виртуальная цифровая копия мозга конкретного человека — пациента или здорового. Она строится на основе его индивидуальных данных: магнитно-резонансной томографии (МРТ), электроэнцефалографии (ЭЭГ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) — любых методов, которые позволяют визуализировать работу мозга и оценить активность его отдельных зон.

Основой, «скелетом» для построения модели служит коннектом — индивидуальная карта всех проводящих путей мозга. Она уникальна для каждого человека, как отпечаток пальца. Именно такие структурные особенности во многом определяют нашу индивидуальность.

Главный технический вызов состоит в том, что мозг — невероятно сложная система: около 86 миллиардов нейронов, каждый из которых имеет в среднем по 10 тысяч связей. Смоделировать такое количество элементов на существующих компьютерах невозможно. Поэтому мы идем другим путем: моделируем не каждый нейрон, а целые популяции нервных клеток. Такой подход, называемый «моделями нейронных масс», позволяет описывать обобщенную динамику групп нейронов. Это серьезно упрощает задачу — расчеты можно проводить даже на мощном персональном компьютере.

Но главная ценность технологии — в ее прикладном применении. В отличие от реального лечения, где каждое воздействие (будь то препарат или хирургическое вмешательство) — необратимо, на виртуальной копии мозга можно безопасно экспериментировать. Мы можем заранее, до реальной операции, смоделировать разные сценарии ее проведения и посмотреть, как мозг отреагирует: как изменятся связи между его регионами, какие функции могут пострадать —например, память, речь или эмоциональный контроль. Это позволяет не только повысить точность вмешательства, но и заранее спланировать индивидуальную реабилитацию.

По сути, мы создаем универсальный испытательный полигон, где можно «семь раз отмерить», чтобы в реальности «один раз отрезать» максимально точно и безопасно. Пока мы фокусируемся на пациентах с опухолями мозга и эпилепсией, но в перспективе метод применим к любому заболеванию нервной системы.

Какие именно данные становятся определяющими при построении индивидуального мозга пациента?

— По сути, это данные нейровизуализации — любые, которые удается получить. Основным и чаще всего используемым методом считается магнитно-резонансная томография (МРТ). Она дает очень много информации: позволяет построить индивидуальный коннектом, то есть карту связей между разными областями мозга, а также увидеть его работу в динамике — например, с помощью функционального МРТ, которое показывает активность мозга в режиме реального времени, в покое или в ответ на стимулы.

Все остальное — дополнительные, опциональные данные. Например, для пациентов с эпилепсией критически важна электроэнцефалография (ЭЭГ), которая пассивно считывает биоэлектрическую активность мозга. Можно использовать и позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), хотя это метод с лучевой нагрузкой, и в рутинной практике мы к нему прибегаем редко. В мировой литературе есть примеры его применения для построения моделей, но они единичны.

Поэтому жестких ограничений нет. Главное — чтобы метод позволял зафиксировать активность мозга.

На какой стадии находится ваше исследование и какова точность модели на текущий момент?

— Говорить о точности сегодня преждевременно — полноценных клинических испытаний еще не было. Мы можем опираться только на данные крупнейшего современного исследования, которое проводилось во Франции с 2019 по 2024 годы. Там участвовали около 450-500 пациентов с эпилепсией из 13 госпиталей.

Критерием успеха в таких работах служит сравнение с решениями нейрохирургов. Если модель показывает результаты лучше или хотя бы на уровне опытного специалиста, — это уже прорыв. Французские коллеги получили интересные данные: когда нейрохирурги удаляли именно те области, которые указывала модель, пациенты чаще достигали полной ремиссии. В случаях же, когда хирурги действовали вопреки рекомендациям модели, приступы нередко возвращались.

Важно подчеркнуть: это не значит, что модель должна заменить врача. Речь идет о вспомогательном инструменте, который может предложить нейрохирургу дополнительные варианты — например, указать на альтернативную зону для вмешательства или предложить рассечь конкретные проводящие пути вместо удаления ткани. Это полностью соответствует общей тенденции нейрохирургии — становиться максимально щадящей и точной.

Пока это лишь предварительные данные одного масштабного эксперимента. Нам предстоит большой путь валидации, и мы только в начале. Но уже сейчас понятно, что такая технология может стать серьезным подспорьем в принятии клинических решений.

Вы рассказали об иностранном исследовании, а на каком этапе находится ваша собственная работа? Она уже сопоставима с зарубежным уровнем?

— Наше исследование мы только запускаем — планируем начать в следующем году. Сейчас, до конца этого года, идет тщательная разработка и отладка протоколов для двух групп пациентов: с опухолями головного мозга и с эпилепсией. Поскольку это будут масштабные исследования, для нас критически важно, чтобы их дизайн был максимально четко выверен. Как только эта работа будет завершена — а мы ожидаем, что до конца года, — сможем приступить к работе с реальными пациентами.

Получается, что о внедрении вашей методики в клиническую практику речи пока идти не может? Система еще находится в стадии постоянной доработки?

— Именно так. Сейчас идет непрерывный процесс отладки, и мы предполагаем, что так будет еще какое-то время. Прежде чем технология станет готовым продуктом, который можно будет применять без оглядки на необходимость что-то «подкрутить» или исправить, должна быть завершена эта фаза. Мы верим, что в конечном итоге она станет доступным инструментом для клиник, обладающих соответствующими возможностями для сбора данных нейровизуализации.

Сразу стоит оговориться: это не рутинная процедура. Даже в России не так много центров, которые могут собирать необходимый объем данных высокого качества. Нам повезло работать в условиях федерального центра, где такая возможность есть. Поэтому мы не говорим, что технология скоро появится в каждой больнице — этого не будет, да и, пожалуй, не нужно. Сейчас наша ключевая задача — доказательство концепции проверки и демонстрации жизнеспособности идеи или технологии до ее полной реализации.

Теоретически понимаем, что все возможно — предварительные работы проведены. Теперь нам нужно на практике убедиться, что мы можем реализовать это в условиях реальной клиники с реальными пациентами.

Но в целом клиники, с которыми мы взаимодействуем, проявляют осторожный интерес. Главный барьер — не столько недоверие, сколько высокие требования к технологической оснащенности: не каждое учреждение может позволить себе сбор необходимого объема данных нейровизуализации.

Что касается сертификации, то это отдельный сложный вопрос, который еще предстоит решать. Аналогов в России пока нет, и регуляторные процедуры для подобных инновационных медицинских технологий только формируются. Мы понимаем, что путь от работающего прототипа до сертифицированного продукта, который можно безопасно использовать в клиниках, будет долгим. Но первый шаг — доказать, что технология вообще жизнеспособна в реальных клинических условиях. Этим мы и занимаемся.

Расскажите о финансировании вашего медицинского стартапа: сколько потребовалось инвестиций, на что они направлены, и откуда поступают средства — гранты, частные инвестиции или собственные ресурсы?

— Сегодня мы работаем в основном за счет собственных ресурсов — тех, которые можем выделить в рамках проекта. В ближайших планах — подача заявок на гранты, например, в Российский научный фонд или Фонд содействия инновациям, которые поддерживают такие исследования. Мы, безусловно, открыты и для частных инвестиций, хотя для нас, ученых, долгое время занимавшихся фундаментальной наукой, это новая и не всегда простая область.

Если говорить о том, куда в первую очередь требуются инвестиции, я бы выделил три ключевых направления. Первое — оплата труда специалистов. Пока команда работает во многом на энтузиазме, но для привлечения экспертов в области программирования, искусственного интеллекта и машинного обучения потребуется конкурентоспособная зарплата. Второе — вычислительные ресурсы. Сейчас нам хватает мощностей НГТУ и собственных, но в перспективе, чтобы ускорить расчеты до клинически приемлемых сроков (пациентов часто оперируют через день-два после поступления), потребуются серьезные вложения в инфраструктуру. Третье — это, как ни странно, научная коммуникация: публикации в международных журналах и участие в конференциях, что критически важно для обмена опытом и развития проекта.

Сбор и обработка данных — это ведь тоже значительная статья расходов.

— Сам по себе сбор данных для построения виртуальной модели мозга — процесс крайне дорогостоящий. Нам в этом отношении немного проще: мы собираем их в рамках рутинной клинической работы. Мы не несем дополнительных затрат на оборудование и специалистов — все это уже есть.

Тем не менее, если бы пришлось начинать с нуля, стало бы вторым ключевым направлением для инвестиций. А третье, что я считаю важным, хотя некоторые могут посчитать это менее приоритетным, — поддержка научной коммуникации: публикации в международных журналах открытого доступа и участие в зарубежных конференциях.

Независимо от разговоров об импортозамещении, наука едина. Мы постоянно взаимодействуем с коллегами из других стран, потому что все мы хотим понять, как работает мозг и как помочь пациентам. Быть в курсе новых методов, идей и возможностей для коллабораций — необходимость. Поэтому эту статью расходов тоже нельзя сбрасывать со счетов, хотя с практической точки зрения первые два пункта, безусловно, важнее.

В целом по инвестициям ситуация такая: мы оцениваем потребности, строим планы, но пока работаем в рамках собственных ресурсов. Надеемся, что их хватит как минимум на год-два активной работы.

Как можно снизить барьеры для развития технологических стартапов в России и повысить значимость отечественной науки в мире? Речь и о регуляторике, и о международном сотрудничестве.

— Это сложный вопрос, решение которого лежит в большей степени на уровне государственного регулирования и международных отношений. Мы как ученые делаем то, что в наших силах: активно поддерживаем контакты с зарубежными коллегами из Германии, Франции, Испании, с которыми общаемся уже много лет.

В научной среде текущая геополитическая напряженность ощущается гораздо слабее. Мы объединены большими идеями и стремлением к прогрессу, поэтому профессиональное общение продолжается вполне рутинно. Публикуемся в престижных международных журналах, нас приглашают в крупные консорциумы — например, наш центр сейчас участвует в проекте по хронической боли в рамках консорциума ENIGMA, одного из самых масштабных в мире. Это показатель того, что барьеры внутри научного сообщества если и есть, то они преодолимы.

Да, существуют сложности на уровне формальных межвузовских соглашений, но на уровне отдельных исследователей и проектов сотрудничество вполне реально. Мы продолжаем ездить на международные конференции, получаем визы, выступаем с докладами как в Европе, так и в США.

Так что хочу немного вдохновить коллег: научное сотрудничество не закрыто. Оно по-прежнему существует, несмотря на логистические и финансовые сложности. Те, кто действительно хочет работать с зарубежными партнерами, находят для этого возможности.

Какой вклад, по вашему мнению, разработка может внести в развитие Новосибирска и Академгородка?

— Значение такого проекта выходит за рамки одного города — это вопрос технологического лидерства. Если нам удастся реализовать задуманное, это кардинально изменит подход к диагностике и лечению пациентов. В истории медицины были этапы, которые качественно меняли систему помощи, — наша разработка может стать одним из них. Учитывая стремительное развитие искусственного интеллекта, я уверен, — подобные проекты будут востребованы.

Мы не хотим просто догонять мировые тренды и говорить: «Смотрите, у нас тоже есть». Наша цель — быть в ряду первых, работать наравне с ведущими учеными и предлагать свои решения. Здесь есть и соревновательный момент — здоровая конкуренция между исследовательскими группами мотивирует двигаться вперед.

Мы учимся у зарубежных коллег, признавая их высокий уровень, но не копируем, а идем своим путем, ставим собственные задачи. И самое важное — помогаем нашим пациентам здесь, в Новосибирске.

Для города это может означать приток инвестиций, внимание к местной научной и медицинской среде, развитие медицинского туризма. Если бы меня спросили, как я хотел бы быть прооперированным — по стандартной схеме или с применением технологии виртуального мозга, — я, не задумываясь, выбрал бы второе. Потому что это повышает точность, снижает риски и улучшает качество жизни после операции.

Пока это лишь планы и пилотные исследования, но они дают основания для оптимизма. Как минимум, проект способен привлечь дополнительное внимание и ресурсы в новосибирское здравоохранение и науку.