Исследователи Новосибирского государственного технического университета НЭТИ в партнерстве с Федеральным центром нейрохирургии приступили к разработке комплексной компьютерной модели головного мозга — так называемого цифрового двойника. Этот инновационный проект, представленный на IEEE Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» AПЭП-2025, направлен на внедрение существенных изменений в планирование и проведение нейрохирургических операций.
Как пояснил старший преподаватель кафедры систем сбора и обработки данных факультета автоматики и вычислительной техники Антон Пашков, целью проекта является создание виртуальной платформы, которая позволит врачам тестировать различные сценарии вмешательства в безопасной цифровой среде. Технология призвана минимизировать риски при операциях на мозге и найти оптимальные, щадящие методы лечения, в том числе в перспективе и те, которые позволят избежать хирургического вмешательства.
В основе разработки «цифрового двойника» мозга лежит принцип персонализированной медицины. Модель будет формироваться на основе индивидуальных данных пациента — результатов магнитно-резонансной томографии, электроэнцефалографии и других методов нейровизуализации. Это позволит создать уникальную цифровую копию мозга конкретного человека. «Скелетом» таких моделей выступают данные МР-трактографии — метода, позволяющего реконструировать коннектом человеческого мозга, т. е. совокупность всех проводящих путей, которые соединяют одни области мозга с другими.
«Виртуальная модель — это своего рода испытательный полигон, — поясняет Антон Пашков. — Хирург сможет смоделировать несколько вариантов операции, оценить их потенциальные последствия и выбрать наиболее безопасный и эффективный сценарий. Важно подчеркнуть, что окончательное решение всегда остается за врачом. Программа выступает в роли высокоточного советника, а не диктатора».
В настоящее время команда работает над созданием математического «скелета» модели на платформе The Virtual Brain. Следующая масштабная задача — придание этой статичной структуре динамики. Ученые на данном этапе занимаются тестированием моделей нейронных масс, позволяющих снизить размерность многомерных данных реального мозга при сохранении биологической реалистичности.
«Нам предстоит собрать и обработать огромный массив клинических данных, — отметил ученый. — После этого начнется ключевой этап — выбор математической модели, которая сможет воспроизводить In silico активность мозга конкретного пациента. Мы рассматриваем множество теоретических подходов и не отбрасываем ни одной потенциально продуктивной гипотезы».
Еще одной серьезной задачей является вычислительная мощность. Моделирование работы мозга требует обработки колоссальных объемов информации, для чего зачастую необходимы суперкомпьютеры. На текущем этапе разработчики планируют использовать вычислительные ресурсы НГТУ НЭТИ.
Пилотный запуск проекта запланирован на 2026 год и будет сфокусирован на помощи пациентам с эпилепсией и опухолями головного мозга.
«Операции при таких патологиях сопряжены с высокими рисками, — подчеркнул Антон Пашков. — Наша разработка позволит виртуально «испытывать» различные воздействия, например, симулировать удаление нервной ткани или ее стимуляцию, и наблюдать, как мозг отреагирует на такие воздействия. Это поможет хирургу найти баланс: удалить максимальный объем опухоли, сохранив при этом как можно больше здоровых, функционально важных областей. Ключевая цель — чтобы после операции пациенты могли вернуться к полноценной жизни».
Предварительные результаты обнадеживают и уже вызывают интерес у ведущих медицинских учреждений страны. Как отмечают разработчики, первоначальное тестирование и отладка технологии будут проводиться на базе Федерального центра нейрохирургии в Новосибирске, и только после успешной апробации технология будет масштабирована для применения в других клиниках.
Напомним, ранее в НГТУ НЭТИ разработали систему голосового скрининга для оценки неврологического статуса пациентов с болезнью Паркинсона. Уникальный способ мониторинга не имеет аналогов в России и уже используется в Федеральном центре нейрохирургии Новосибирска.