Прорыв в области больших данных: контроль артериального давления после травмы помогает некоторым парализованным пациентам восстановить функции

Критический ключ к восстановлению после травмы спинного мозга, выявленный киборгами с помощью машинного обучения, связан с улучшением функциональности

Согласно новому исследованию исследователей Калифорнийского университета в Сан-Франциско, пациенты с новыми повреждениями спинного мозга, у которых артериальное давление во время операции поддерживается в пределах нового диапазона, могут иметь больше шансов на восстановление некоторой подвижности и функциональности – даже у пациентов с наиболее тяжелыми травмами. .

В частности, для одного пациента, отца двоих детей, получившего травму во время серфинга, новаторское понимание и последовавшие за ним исследования, проведенные у постели больного, означали разницу между полным параличом и возобновлением его жизни.

Используя новый метод машинного обучения, называемый анализом топологических данных (TDA) – так называемый, потому что он заимствует концепции из геометрической топологии, – исследователи смогли идентифицировать закономерности в больших наборах данных, чтобы находить связи, которые ранее не понимались, что объясняет, почему некоторые люди восстанавливают некоторые двигательные функции. контроль после серьезной травмы, в то время как другие остаются с полным параличом. По словам исследователей, исследование также может иметь разветвления для пациентов, перенесших операции на позвоночнике по поводу более распространенных заболеваний, хотя необходимы дальнейшие исследования.

«Без использования TDA данные были бы неоднородными, подавляющими и недоступными для человеческого понимания», – сказал соавтор-корреспондент Адам Фергюсон, доктор философии, директор по науке о данных в Центре травм мозга и позвоночника UCSF, который был первым ученым, использовавшим машины. обучение как инструмент для выявления связи между восстановлением после травмы спинного мозга и артериальным давлением с использованием данных как опубликованных, так и неопубликованных исследований.

«Анализ топологических данных помог нам« увидеть »закономерности, которые трудно увидеть людям», – сказал Фергюсон, который также является аффилированным лицом с Институтом нейронаук UCSF Weill.

Исследование, основанное на ретроспективных данных, полученных в операционных больницах, публикуется в журнале. электронная жизнь 16 ноября 2021 г. и следует за доклиническими исследованиями Фергюсона с использованием данных как опубликованных, так и неопубликованных исследований.

В число авторов исследования входят специалисты из четырех других учреждений (см. Ниже), а также исследователи TRACK-SCI, сотрудничество исследователей, клинических исследователей и врачей под руководством UCSF, которым поручено создавать новые методы лечения от стационарного до прикроватного.

Автомобильные аварии, падения Распространенные причины травм спинного мозга

По данным Национального статистического центра по травмам спинного мозга, травмы спинного мозга ежегодно затрагивают около 18 000 человек в Соединенных Штатах, а общая распространенность составляет около 300 000 случаев. Автомобильные аварии и падения являются наиболее частыми причинами: более 50 процентов травм затрагивают шейный отдел позвоночника и область шеи, что связано с более серьезными нарушениями и более серьезными осложнениями.

В текущем исследовании исследователи отслеживали данные 118 пациентов в двух больницах с травматологическими центрами уровня 1: Больница общего профиля и травматологический центр Цукерберга Сан-Франциско (ZSFG) и Медицинский центр Санта-Клара-Вэлли. Они сравнили предполагаемую степень травмы при поступлении с предполагаемой степенью травмы при выписке. Оценки соответствовали шкале обесценения Американской ассоциации травм позвоночника и варьировались от А, обозначающего полную потерю двигательной и сенсорной функции ниже уровня травмы, до Е для нормальной чувствительности и полной двигательной функции.

Точное управление артериальным давлением является ключевой задачей при лечении травм спинного мозга.

Тот же метод машинного обучения, который использовал Фергюсон с доклиническими данными в более раннем исследовании, был применен к текущему исследованию с использованием клинических данных, собранных с интервалами от одной до пяти минут, когда пациенты находились в операционной. Из 42 пациентов, травмы которых улучшились по крайней мере на одну степень от поступления до выписки, у 18 была травма степени А, восьми – степени В, 11 – степени С и пяти – степени D.

Эти образцы TDA были затем проверены экспертами по травмам спинного мозга и статистиками, которые разработали строгие статистические модели, которые «оценили их истинность», – сказал Фергюсон.

«Это идеальный вариант использования машинного обучения в биомедицине – это партнерство между машинами и людьми, обладающими знаниями в клинической области», – сказал он. «По сути, мы киборги, использующие машинное обучение».

Исследователи пришли к выводу, что пациенты с артериальным давлением, которое было слишком высоким или слишком низким во время операции, хуже восстанавливались после операции. Максимальное восстановление было связано со средним артериальным давлением, поддерживаемым между 76 мм рт. Ст. И 104–117 мм рт.

«Особенно интересно, что эта работа определила верхний предел диапазона артериального давления, который раньше не считался вредным в клинической практике», – сказал соавтор-корреспондент Джонатан Пэн, доктор философии, доктор медицины, из отделения анестезии UCSF и Периоперационный уход. «Если результаты могут быть подтверждены в нашем проспективном исследовании, оно может предоставить новые рекомендации по управлению артериальным давлением для пациентов с острым повреждением спинного мозга».

Паралич порождает «бурю клеточных стрессов»

Паралич после травмы возникает из-за отека / синяков и «шторма клеточных стрессоров, которые могут исчезнуть после травмы, если нейроны переживут ультраострую фазу повреждения спинного мозга», – сказал соавтор исследования Абель Торрес-Эспин, доктор философии, Отделение неврологической хирургии UCSF и Институт нейронаук UCSF Weill.

«Повреждение нейронов при травмах спинного мозга приводит к нарушению регуляции артериального давления, что, в свою очередь, ограничивает снабжение кровью и кислородом напряженных тканей спинного мозга, усугубляя гибель спинномозговых нейронов. Таким образом, точное управление артериальным давлением является ключевой задачей при лечении травм спинного мозга », – сказал Торрес-Эспин, создавший программный конвейер с открытым исходным кодом, чтобы другие ученые могли повторно использовать аналитические технологии для новых целей.

Исследователи отметили, что для пациентов с наиболее тяжелыми травмами степени А оптимальное артериальное давление во время операции может быть ключевым фактором в переводе этих травм в степень C. «Разница между степенью A и степенью C может быть значительной и значимой с точки зрения независимости и функциональности», – сказала соавтор исследования Дебра Хеммерл, доктор наук, доктор философии из Центра травм мозга и позвоночника UCSF.

«Это означает, что пациент, который в противном случае мог бы полагаться на человеческую помощь для удовлетворения своих самых основных потребностей, может стать способен самостоятельно переходить с инвалидной коляски на кровать, ходить со вспомогательными устройствами и заниматься некоторыми видами повседневной жизни без посторонней помощи».

История пациента: от сломанной шеи до спины на ногах

Одним пациентом, травма которого была переклассифицирована с A на C, был Крис Барр, житель района залива Сан-Франциско, чей шейный отдел позвоночника был сломан в восьми местах после несчастного случая во время серфинга четыре года назад. Барра доставили в ZSFG, где врачи UCSF уже внедрили протокол управления артериальным давлением.

Через три недели после декомпрессионной операции, которая произошла через несколько часов после травмы, Барр начал чувствовать чувствительность ниже уровня травмы, и его повторно оценили на уровне B. функции, и к шести месяцам он достиг класса C после восстановления способности есть, пить из чашки, поворачивать дверную ручку и управлять компьютерной мышью. В этот момент было ясно, что его прогресс остановился.

Барр, в то время отец двоих подростков, совершил решительный шаг в качестве Пациента 1 в клиническом испытании фазы I с использованием терапии стволовыми клетками в клинике Мэйо, а затем принял участие в испытании по стимуляции позвоночника в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Сегодня он может ходить, водить машину и выполнять все повседневные дела без посторонней помощи. Он связывает свое замечательное выздоровление с двумя испытаниями и протоколом измерения артериального давления в ZSFG.

«Все началось в Цукерберге. Я искренне верю, что без достигнутого прогресса последующие вмешательства не были бы столь успешными ».

Со-ведущим автором является Дженни Хэфели, доктор философии, из отделения неврологической хирургии UCSF. Соавторы из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Медицинского факультета Университета Нью-Мексико, Медицинского центра Санта-Клара-Вэлли и Университета Миннесоты. Полный список доступен в исследовании.

Исследование поддержано следующими грантами: NIH / NINDS: R01NS088475 (ARF); R01NS122888 (ARF); UH3NS106899 (ARF); Управление по делам ветеранов: 1I01RX002245 (АРФ), I01RX002787 (АРФ); Фонд «Крылья жизни» (АРФ) (ATE); Фонд Крейга Х. Нилсена (ARF); и министерство обороны SC150198 (MSB); SC190233 (MSB).

Связанный