Цифровой двойник - это, по сути, математическая модель, работающая на компьютере. Если при рождении человека создавать его цифрового двойника, то, с помощью собранных данных, можно будет прогнозировать будущие заболевания и такой «цифровой близнец» может стать основой для индивидуального лечения.
Цифровые двойники - виртуальные образы реальных вещей - уже стали основой производства, промышленности и аэрокосмической отрасли (о «цифровом двойнике» двигателя Су-57 НиТ уже писал). Существуют цифровые двойники городов, портов и электростанций. Впервые этот термин был введен в 2010 году исследователем NASA Джоном Викерсом в докладе о планах агентства по технологическому развитию, а по оценкам отраслевых аналитиков, к 2026 году объем рынка цифровых двойников может достичь почти 50 миллиардов долларов.
Вскоре эта идея просочилась в биологию. В 2016 году Билл Рах, будучи тогда исполнительным директором GE Digital, предсказал, что «у нас при рождении будет цифровой двойник, который будет собирать данные с датчиков, и использовать эту информацию для прогнозирования различных заболеваний, рака и других вещей». Цифровой близнец может стать основой для индивидуального лечения пациента и предсказать, как может развиваться его болезнь. Его можно даже использовать для испытаний потенциальных методов лечения, вместо сопряженных с риском испытаний на пациентах.
Пока эти проекты находятся в основном на ранних стадиях. Исследовательская программа под названием Echoes, в которой участвуют ученые из Европы, Великобритании и США, работает над созданием цифрового сердца. Siemens Healthineers, немецкая компания по производству медицинского оборудования, стремится сделать то же самое. Dassault Systèmes, французская компания по разработке программного обеспечения, объединилась с Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA), чтобы одобрить то, что она называет «Живым сердцем». Австрийская компания Golem создает цифровых двойников людей из группы риска, живущих в одиночестве. Идея заключается в том, что цифровой двойник постоянно следит за их здоровьем, предупреждая сиделок, если они заболевают и нуждаются в помощи.
Теперь исследователи стремятся к наивысшей цели: создание двойника мозга. В рамках проекта Neurotwin, планируется создать компьютерную модель всего головного мозга конкретного пациента.
Команда Neurotwin надеется, что модель можно будет использовать для прогнозирования эффекта стимуляции при лечении неврологических заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Альцгеймера. Они планируют клинические испытания, которые начнутся в следующем году, и создадут цифровых двойников около 60 пациентов с болезнью Альцгеймера, которые получат лечение стимуляцией, оптимизированной специально для их мозга. Второе клиническое испытание, запланированное на 2023 год, будет проводиться так же, но для пациентов с устойчивой к лечению фокальной эпилепсией. Цель этих испытаний - проверить концепцию и определить, работает ли данный подход и может ли он улучшить результаты лечения этих пациентов. В случае успеха команда планирует расширить применение своей технологии для изучения других аспектов мозга - например, тех, которые задействованы в рассеянном склерозе, реабилитации после инсульта, депрессии и воздействии психоделиков.
Примерно трети пациентов с эпилепсией лекарства не помогают. Было показано, что неинвазивная стимуляция, при которой электрические токи безболезненно подаются в мозг, помогает снизить частоту и интенсивность припадков. Но эта технология еще довольно нова и нуждается в доработке. Именно здесь может оказаться полезным виртуальный мозг. Для создания цифрового двойника пациента с эпилепсией команда Neurotwin берет данные МРТ за полчаса и показания ЭЭГ (электроэнцефалографии) за 10 минут и использует их для создания компьютерной модели, фиксирующей электрическую активность мозга, а также для реалистичного моделирования основных тканей мозга, включая кожу головы, череп, спинномозговую жидкость, серое и белое вещество.
Двойник будет включать в себя сеть встроенных «нейронных массовых моделей». По сути, компьютерные модели для вычисления среднего поведения множества нейронов, соединенных друг с другом с помощью «коннектома» пациента - карты нейронных связей в мозге. В случае эпилепсии некоторые участки коннектома могут перевозбуждаться; в случае, скажем, инсульта, коннектома может быть изменена. После создания двойника команда может использовать его для оптимизации стимуляции мозга реального пациента. Например, для более эффективного лечения пациента, страдающего эпилепсией, ему ежедневно в течение 20 минут надевают головной убор, который обеспечивает транскраниальную электрическую стимуляцию мозга. Используя цифровую копию, Руффини и его команда могут оптимизировать положение стимулирующих электродов, а также уровень подаваемого тока.
Цифровой двойник любого органа открывает целый ряд этических вопросов. Например, имеет ли пациент право знать или не знать, если, скажем, его двойник предсказывает, что через две недели у него случится сердечный приступ? Что произойдет с близнецом после смерти пациента? Будут ли у него свои юридические или этические права?
С одной стороны, виртуальные двойники тела открывают перед нами захватывающие, революционные пути для разработки новых методов лечения, говорит Матиас Браун, специалист по этике из Университета Эрланген-Нюрнберг (Германия), который писал об этических аспектах использования цифровых двойников в здравоохранении. "Но, с другой стороны, это ставит перед нами сложные задачи", - продолжает он. Например, кто должен владеть цифровым двойником? Компания, которая его создает? "Или у вас есть право сказать: "Я отказываюсь от использования конкретной информации или конкретных прогнозов в отношении моего медицинского страхования или использования в других контекстах"? Чтобы это не было посягательством на автономию или частную жизнь, важно, чтобы конкретный человек контролировал использование [своего цифрового двойника]", - говорит он. Потеря такого контроля приведет к тому, что Браун называет "цифровым рабством".
Ана Майкес, генеральный директор Neuroelectrics, говорит, что компания уже столкнулась с вопросом о том, что произойдет с чрезвычайно личными данными, на которых построен цифровой двойник. "Когда вы делаете такие персонализации, вы должны задавать сложные вопросы, верно? Кому будут принадлежать эти данные? Что вы собираетесь делать с данными?" - спрашивает она.
Для анализа этических и философских составляющих проекта были привлечены исследователи, в том числе Мануэль Герреро, нейроэтик из Университета Упсалы, Швеция. Для проекта Neurotwin, базирующегося в Европе, собранные данные будут защищены Общим регламентом защиты данных Европейского союза (GDPR). Это означает, что любое использование данных требует согласия их владельца, говорит Герреро.
Герреро и его команда также изучают, является ли термин "цифровой двойник", который впервые был придуман для производства, наиболее подходящим для копирования чего-то столь сложного и динамичного, как живой мозг или сердце. Может ли его использование привести к недопониманию или завышенным ожиданиям в обществе? "Мозг намного сложнее, чем другие типы двойников, которые создаются в рамках производства, поэтому понятие двойника для мозга - это то, что является предметом дискуссий в нейробиологическом сообществе", - говорит он.
Работа с мозгом на много порядков сложнее, чем моделирование сердца или почек, к тому же она потенциально более сложна с этической точки зрения. "Мы создаем довольно сложные вычислительные модели мозга", - говорит Руффини. "На определенном этапе, я думаю, станет неясно, насколько этот цифровой двойник является цифровой копией или разумным существом".
Браун считает, что настало время задуматься над этими сложными вопросами. "На мой взгляд, это действительно важные проблемы, которые мы должны решить сейчас", - говорит он. "Мы знаем, что происходит, если просто сказать: "Ну, просто разработайте технологию, а потом посмотрим", - добавляет он, предупреждая об опасностях, которые возникают при откладывании этических и моральных последствий на более поздний срок.
Но команда Neurotwin утверждает, что при правильном подходе создание цифровых двойников может не только значительно улучшить результаты лечения пациентов, но и расширить наши знания о трудноизлечимых заболеваниях мозга. "Мы работаем над тем, чтобы действительно помочь людям, страдающим от заболеваний мозга, с совершенно иной точки зрения", - говорит Мейкес. "Нам нравится называть это новой категорией терапевтических средств, где вы действительно используете силу физики и математики для расшифровки мозга".
Роман Барский 17 февраля 2022, 02:45
Источник: naukatehnika.com
На нашей информационной площадке "ДайджестВизард" вы сможете найти больше новостей IT
Информируем Вас о наших курсах для IT-специалистов по программированию:
Посмотреть больше курсов