Kratičké zahledění se, pocit déjà vu, stavy bezvědomí s křečemi i zmatenost trvající týdny. Epileptické záchvaty vypadají různě. Zpravidla však přicházejí nečekaně. I když ne tak docela… Výpočetní neurovědec Jaroslav Hlinka z Ústavu informatiky AV ČR se modelováním dynamiky epileptických záchvatů dlouhodobě zabývá.
Góóól! Hlasitý výkřik se nese fotbalovým stadionem a euforičtí fanoušci v první řadě části tribuny vyskočí a zvednou ruce. To stejné udělá jen o chvilinku později řada druhá, pak třetí, čtvrtá… Mexická vlna se postupně šíří po obvodu hlediště, diváci skandují a nadšení graduje.
Něco takového se s trochou nadsázky děje v mozku člověka s epilepsií během záchvatu. Jen se v něm místo fandů utrhnou z řetězu nervové buňky neboli neurony, které zničehonic začnou vyvíjet vysokou aktivitu a k tomuto „bláznění“ vmžiku strhnou davy ostatních. Mexická vlna je na světě, nervové buňky „pálí“ ostošest a přetížený mozek nezvládá normálně pracovat, což se navenek projeví třeba pověstnými záškuby nebo výpadkem vědomí.
Splašené neurony dají tělu celkem zabrat, nicméně prodělat záchvat jako takový není podle většiny pacientů tak hrozné, jako žít v neustálém strachu z toho, kdy se zase objeví. Tyto stavy je totiž často přepadají jako blesky z čistého nebe – zcela nečekaně a nahodile. Podle vědců ale snad navždy nevyzpytatelné nebudou.
„Alespoň někdy jim totiž předcházejí detekovatelné změny v činnosti mozku. Ten postupně ztrácí stabilitu a odolnost a stává se tak náchylnější ke vzniku epileptického výboje,“ popisuje výpočetní neurovědec Jaroslav Hlinka z Ústavu informatiky AV ČR, který se studiem mozkové aktivity včetně modelování dynamiky epileptických záchvatů dlouhodobě zabývá.
Tyto změny podle něj často mohou mít charakter tzv. kritického zpomalování, což je jeden ze základních přírodních principů typický pro systémy ztrácející stabilitu. Critical slowing down, jak se jevu anglicky říká, může předznamenávat třeba i změny klimatu, kolapsy na burze, vyhynutí živočišných druhů nebo dokonce rozvoj deprese.
Mozek ve své jamce
Pronikavý paprsek slunce, lehký závan větru, štěkot psa, procházející člověk… Na náš mozek prakticky neustále působí nespočet vlivů, na které musí nějak reagovat. Pokud je však v dobré kondici, jen tak něco ho nerozhodí. Hoví si šum-nešum v jakémsi pracovním stavu, v němž se mu dobře funguje, jako kulička uprostřed jamky. A stejně jako ona se své pohodlné pozice nerad vzdává.
„Když se kuličku někdo pokusí vycvrnknout z důlku ven, působením gravitace se do něj vždycky zase skutálí. Obdobně na impulzy z vnějšího světa obvykle reaguje náš mozek – okamžitě spustí zpětnovazebné mechanismy, které zajistí jeho rychlý návrat do pohody,“ vysvětluje Jaroslav Hlinka.
Jestliže však z nějakého důvodu ztrácí svou stabilitu, jeho reakce na drobná vychýlení přestávají být tak pružné a do původního stavu se dostává čím dál tím pomaleji. Zkrátka vykazuje známky kritického zpomalování.
Právě tehdy se otvírá prostor pro vznik epileptického záchvatu. Náš řídicí orgán je totiž rozkolísaný, zranitelný a hrozí tak, že některý, za běžných okolností neškodný „šťouchanec“ z okolí – třeba záblesk světla, nečekaný zvuk nebo obyčejnou vzpomínku – neustojí a překmitne do záchvatu. Jako by se změnila hrací plocha – jamka se stala mnohem mělčí a ona kulička se vlivem sebemenšího cvrnknutí mohla kdykoli překulit někam jinam, mimo svůj původně stabilní a pohodlný domov.
O hrozícím pádu v podobě propuknutí záchvatu však člověk s epilepsií zpravidla nemá ani páru – netuší, že má neurony zrovna „z formy“. Technika by ho však na to mohla upozornit.
„Mozkovou aktivitu dokážeme prostřednictvím elektrofyziologických metod měřit s rozlišením na milisekundy či desítky milisekund. Pomocí senzorů bychom tak na základě zpomalování odpovědí mozku na jednotlivé stimuly mohli u některých pacientů předpovědět vyšší pravděpodobnost záchvatu a varovat je před ním,“ objasňuje vědec, který kromě výpočetní neurovědy vystudoval také matematiku a psychologii.
Proč ale jen u některých? Nemoc je bohužel příliš různorodá na to, aby bylo možné tyto poznatky uplatnit u všech osob s touto diagnózou – vždyť podle odborníků existuje na sedmdesát typů epilepsií!
Střídavě oblačno, občas záchvat
„Ve Středočeském kraji očekáváme tvorbu mohutné kupovité oblačnosti, postupně pak četné přeháňky a bouřky,“ předčítá televizní moderátorka zprávy o počasí. Jestli však déšť nakonec pokropí Kladno nebo třeba Rakovník, ve kterém městě lidé uvidí na nebi blesky a v kolik to bude hodin, se však diváci nedozvědí – s takovou přesností totiž meteorologové vývoj situace odhadnout nedovedou. A s předpovídáním epileptického záchvatu je to podobné.
„Nejsme schopni říct, že přijde v úterý o půl šesté večer a jak přesně bude vypadat. I jednoduché upozornění na zvýšenou možnost vzniku záchvatu však může být pro pacienty obrovsky praktické,“ zdůrazňuje Jaroslav Hlinka.
Jeho tým s akčně znějícím názvem COBRA (což je zkratka pro Complex networks and brain dynamics group) zkoumá ve spolupráci s lékaři a fyziology dění v epileptickém mozku nejen těsně před záchvatem, ale i z dlouhodobějšího hlediska.
„Když cyklista vrávorá na kole, je velmi pravděpodobné, že brzy spadne. Vrávorání před pádem se dá přirovnat ke kritickému zpomalování před záchvatem. My ale kromě známek ztráty rovnováhy krátce před nehodou studujeme i to, proč má vůbec onen cyklista někdy tendenci začít takto kličkovat a jindy ne,“ líčí vědec.
Pomocí ukazatelů odolnosti mozku se tak výzkumníkům podařilo vypozorovat, že riziko záchvatů u lidí s epilepsií kolísá v průběhu dnů, týdnů nebo dokonce měsíců.
„Na první pohled by se mohlo zdát, že je jejich výskyt náhodný – jako by si pánbůh házel kostkami. Z dlouhodobých měření se ale dá u většiny pacientů vysledovat alespoň nějaká míra pravidelnosti,“ konstatuje Jaroslav Hlinka. Ta podle něj může souviset například s denním cyklem – velkou část epileptiků třeba záchvaty postihují výhradně v noci nebo nad ránem.
Na datech získaných ze zvířecího modelu jeho tým navíc ukázal, že načasování a průběh předchozího záchvatu má vliv na dobu propuknutí a charakter záchvatů následných.
Kouzlo rovnic
Celou dynamiku fungování mozku člověka s epilepsií vystihují dvě důležité rovnice. Popisují, jak postupné ztrácení stability jeho řídicího orgánu, přechod do záchvatového stavu, jeho průběh i ukončení, tak i opakování celého cyklu.
To všechno badatelé převedli do jazyka matematiky a „vecpali“ do několika málo znaků. A právě tento „překlad“ jim umožnil nasimulovat si celý systém v počítači a vyvinout matematické modely epileptické dynamiky pro pochopení a předpovídání záchvatů.
„Když má dítě ve škole určit, jak rychle padá těleso v gravitačním poli, použije příslušnou rovnici. Nám zase rovnice umožňují spočítat, jak budou probíhat záchvaty. Bez nich by to prostě nešlo,“ usmívá se Jaroslav Hlinka, který řešení rovnic vnímá jako nejlepší formu relaxace.
Propojení matematiky a neurozobrazovacích metod pro porozumění fungování mozku, kterému se se svým týmem věnuje, je ve světě i u nás relativní novinkou. A jelikož se toto know-how může hodit v mnoha odvětvích medicíny, v poslední době se v oddělení složitých systémů Ústavu informatiky AV ČR, kam COBRA spadá, dveře netrhnou.
„Obracejí se na nás neurologové, psychiatři i psychologové, abychom jim pomohli s analýzou jimi naměřených dat. Hledáme pro ně například rozdíly v mozkové aktivitě u zdravých a nemocných osob s různými diagnózami, vyvíjíme umělou inteligenci pro prognózy, pátráme po mozkových podkladech klinických symptomů…,“ vypočítává vědec.
Skrz matematiku tak se svými kolegy nahlíží například do mozku pacientů se schizofrenií nebo depresí, u nichž se významně uplatní statistika a strojové učení. Epilepsií se naopak nejvíce zabývá podskupinka ‚modelářů‘. „Zdá se totiž, že v jejím případě má vzhledem k charakteru nemoci právě výpočetní neurověda největší potenciál skutečně pomoci,“ soudí výzkumník.
Není šťouch jako šťouch
Bílý plyšový králíček ve známé televizní reklamě z devadesátých let vesele bouchá paličkami do bubínku a kroutí se u toho do rytmu. Až do chvíle, než mu dojdou baterie. Při epileptickém záchvatu vlastně probíhá něco podobného – neurony to roztáčejí tak dlouho, než se mozek „vybije“ a nemá sílu pokračovat.
Díky tomu tak záchvaty v drtivé většině případů končí samovolně. Mozek pacienta jako by se po řádění nervových buněk resetoval a vrátil do módu, který připomíná zdravý stav. Tento svéhlavý orgán však má u lidí s epilepsií tendenci se znovu a znovu „dobíjet“. A jeho chuť upustit páru záchvatem tak vždy znovu naroste.
Jak tento bludný kruh přerušit? K nalezení možné cesty vědcům pomohlo důležité pozorování: všimli si totiž, že zatímco některé stimuly záchvat odstartují, jiné jako by jeho propuknutí oddalovaly. Jaroslava Hlinku s touto záhadou seznámil jeho kolega Přemysl Jiruška, který nyní vede Ústav fyziologie na 2. lékařské fakultě UK, a společně začali hledat vysvětlení. V Ústavu informatiky si proto sestavili matematický model epileptického mozku, který se chová jako onen plyšový králíček. A ten jim napověděl, že záchvat by skutečně mělo jít „odložit“.
„Zdá se, že klíč je v intenzitě stimulu – zatímco výrazný podnět bude většinou fungovat jako poslední kapka, nebo spíš vědro, které záchvat spustí, menší perturbace mozek jen malinko ‚vybije‘, čímž se nástup záchvatu naopak odsune,“ shrnuje Jaroslav Hlinka objev, který výzkumníci před časem publikovali v prestižním časopise Nature Neuroscience.
Jejich simulace dokonce ukázaly, že by se za pomoci těchto malých „šťouchanců“ dalo u některých pacientů epileptickým záchvatům zcela předejít. Jen je třeba zvolit jejich vhodnou intenzitu a dávkování. A taky vymyslet, jak tyto drobné „kopanečky“ na potřebné místo bezpečně dopravit.
„Vše by mohl zajistit elektrický senzor implantovaný v mozku, který by uměl nejen rozpoznat známky kritického zpomalování, ale i spočítat a vyslat řídicímu orgánu optimální velikost impulzu, který by ho ‚vybil‘ natolik, že by už neměl potřebu ulevit si záchvatem,“ navrhuje badatel.
Zkrocení zlé vlny
Takové snímače už podle něj několik biotechnologických firem ve světě vyvíjí. Než ale bude možné uvést jejich prostřednictvím poznatky skupiny COBRA do praxe, ještě nějakou dobu potrvá.
„Je třeba získat a zanalyzovat hodně dat od reálných pacientů, aby se model vyladil. Zavedení senzoru je ale poměrně invazivní zásah, takže to nebude snadné. Doufám však, že v horizontu deseti let už by snímače tohoto typu mohly být lidem s touto diagnózou relativně běžně k dispozici,“ věří Jaroslav Hlinka.
Epilepsii, které se dříve říkalo třeba padoucnice nebo svatá nemoc, a snaze dostat ony mexické vlny neuronů pod kontrolu, se hodlá věnovat i nadále. V konsorciu projektu Brain Dynamics (BRADY) podpořeného z výzvy Operačního programu Jan Amos Komenský pro špičkový výzkum, které spojilo řadu týmů a láká mladé vědce z Česka i zahraničí, mimo jiné prověří, jak by mohla výpočetní neurověda pomoci navrhovat terapie pro lidi s tímto i jinými onemocněními mozku. „K epilepsii jsme zkrátka ještě zdaleka neřekli poslední slovo,“ uzavírá vědec s úsměvem.
Autorka: Radka Římanová
Foto: Jana Plavec, archiv skupiny COBRA
Kompletní článek naleznete v časopise A / Magazín Akademie věd ČR
Jaroslav Hlinka vystudoval psychologii na Filozofické fakultě UK a matematiku na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. Doktorát z výpočetních neurověd získal na Nottinghamské univerzitě ve Velké Británii. Od roku 2009 pracuje v Ústavu informatiky AV ČR, kde vede oddělení složitých systémů. Zabývá se zejména studiem mozkové aktivity a modelováním dynamiky epileptických záchvatů. Věnuje se ale i informačním tokům v jiných reálných komplexních systémech, jako jsou např. ekonomické sítě nebo zemské klima. Působí také v Národním ústavu pro duševní zdraví a přednáší na ČVUT. Loni obdržel cenu Akademie věd ČR za mimořádné výsledky výzkumu, experimentálního vývoje a inovací.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
