Des jumeaux numériques du cerveau pour améliorer les traitements
Selon un article publié dans le «Lancet»(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), les troubles neurologiques sont désormais la principale cause de problèmes de santé dans le monde. En 2018, près de 7,85 millions de personnes dans l’UE souffraient de démence(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et selon les estimations(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ce nombre devrait s’élever à 14,3 millions d’ici 2050. L’épilepsie touche plus de 6 millions de personnes en Europe(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) tandis que, selon l’OCDE(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), les problèmes de santé mentale coûtent environ 600 milliards EUR chaque année. De nouvelles techniques de diagnostic sont en cours de développement et des méthodes innovantes de modélisation des voies et des traitements évoluent grâce aux progrès de la puissance de calcul et de l’IA. L’une de ces voies est le recours aux jumeaux numériques. «Les neurojumeaux (neurotwins) sont des modèles cérébraux entiers personnalisés qui intègrent l’électromagnétisme, pour déterminer comment les courants circulent dans la tête de chacun ou comment les tissus les génèrent. Ils associent ces données à la physiologie, afin de révéler le fonctionnement des réseaux cérébraux. Ils anticipent la réponse d’un individu à la stimulation de sorte que nous puissions adapter la thérapie», explique le co-fondateur de Neuroelectrics Barcelona(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) Giulio Ruffini(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Giulio Ruffini a coordonné le projet Neurotwin(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), dont l’objectif était d’établir des thérapies personnalisées basées sur des modèles afin d’améliorer les traitements de patients souffrant de la maladie d’Alzheimer et d’autres affections.
Modéliser la stimulation cérébrale non invasive pour prédire les effets physiologiques de la stimulation électrique transcrânienne
Anticiper avec précision l’impact de thérapies telles que la stimulation électrique transcrânienne (tES) est l’un des principaux défis du traitement des troubles mentaux. Il est possible d’avoir une idée plus claire des conséquences des interventions, en développant des itérations basées sur des modèles du cerveau d’un individu et en créant son jumeau numérique. «Par basé sur des modèles, nous entendons utiliser les scans du patient pour construire, ajuster et valider un modèle de jumeau numérique prédictif, puis optimiser le montage, l’intensité, la fréquence et le timing in silico (simulation), et le mettre à jour de manière itérative avec de nouvelles données», explique Giulio Ruffini. «La nature mécaniste des modèles que nous développons est cruciale. Nos modèles ne sont pas des boîtes noires qui contiennent des milliards de paramètres. Ils disposent d’une compréhension physiologique et mécaniste du fonctionnement du cerveau. Cela les rend intrinsèquement plus simples et mieux interprétables», ajoute-t-il. L’équipe a adopté une approche en trois volets. Physique de la tête: Sur base d’un IRM/CT, les chercheurs calculent les champs électriques générés par la stimulation cérébrale en utilisant la méthode des éléments finis(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), qui n’est pas une imagerie en temps réel, mais une simulation qui permet de déterminer où va réellement le courant afin de concevoir les bons montages. Dynamique cérébrale: elle permet de personnaliser les modèles de réseaux cérébraux entiers afin de correspondre aux oscillations/connectivité de chaque personne telles que dérivées des données de neuroimagerie (IRM, IRMd, IRMf ou EEG, par exemple). Conception de thérapie in silico: l’équipe teste les protocoles tES pertinents sur le jumeau afin de sélectionner ceux qui pourraient convenir. «Les scanners fournissent des informations anatomiques qui permettent de mieux cibler les champs électriques, les modèles hybrides complets prévoient les changements physiologiques au fil du temps. «Sans prévision, le dosage n’est pas uniforme d’une personne à l’autre, et les résultats peuvent varier», souligne Giulio Ruffini. «Pendant des années, nous avons abordé la stimulation comme une boîte noire. Grâce aux «neurojumeaux» personnalisés, nous pouvons mieux diagnostiquer et réaliser des tests de simulation sûrs avant de les appliquer au patient, ouvrant ainsi la voie à une personnalisation pour le patient et à un dosage du traitement précis et cohérents.»
Des études cliniques vont mener à une utilisation plus large de neurojumeaux pour personnaliser le traitement
Le financement de la science et de l’innovation de l’UE a permis au projet de valider son approche grâce à une analyse inter-espèces et à une étude pilote impliquant un essai(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) croisé randomisé, en double aveugle et contrôlé par placebo. L’essai(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), qui a été mené à l’IRCCS Fondazione Santa Lucia(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (site web en italien), à Rome, impliquait un tES quotidien, optimisé par modèle et individualisé, administré à domicile pendant 8 semaines, sur 40 séances, à 30 patients atteints de la maladie d’Alzheimer légère à modérée. «Notre étude clinique et nos études sur des sujets humains sains mettent en évidence les effets du tACS à 40 Hz de puissance gamma. Nous avons identifié un pipeline fonctionnel, depuis l’anatomie et la physiologie individuelles jusqu’au dosage guidé par modèle et administrable à domicile dans une population fragile», explique Giulio Ruffini. L’équipe souhaite désormais passer à des essais multicentriques en travaillant dans un premier temps avec des patients atteints de la maladie d’Alzheimer, pour ensuite étendre ces essais à l’épilepsie et à d’autres maladies neurologiques. Giulio Ruffini est formel, le travail effectué jusqu’à présent n’est que le début de l’approche d’interventions basées sur des modèles en neuropsychiatrie: «Notre objectif est de quantifier la dynamique du réseau neuronal de chaque patient par rapport à un modèle normatif (sain), puis de choisir la stimulation prévue pour ramener leur système personnel vers cet état plus sain».
