Studying brain activity in brain cancer using magnetic resonance imaging and electrical signals before and after surgery

הרקע לפרויקט:

לגידולים מוחיים יש השפעה נרחבת על ארגון איזורים ורשתות התומכות בתפקודים שונים. מעבר להשפעה על הריקמה המקומית, מחקרים חדשניים הראו כי הגידול גורם לשינויים בארגון המוח גם באיזורים המרוחקים מאיזור הגידול. להבנה של שינויים אלו יש חשיבות רבה על מנות לחזות את ההשפעה של הסרת הגידול על התפקוד של המטופלים בטווח הארוך והקצר, וכמו כן על מנת לפתח כלים שיאפשרו שיקום של הרשתות המוחיות לאחר ניתוח להסרת הגידול. אחד החסמים הטכנולוגיים כדי לזהות ולאפיין תבניות אלו של פעילות הוא שילוב של שיטות שמאפשרות למדוד גם פעילות מקומית וגם פעילות נרחבת בכל המוח, ופיתוח של כלים חישוביים מתאימים.
בפרויקט זה נשתמש בשילוב של שתי טכנולוגיות למדידה של פעילות מוחית: הקלטה של אותות חשמליים באופן מקומי באיזור הגידול בזמן ניתוח באמצעות אלקטרודות מיוחדות המונחות ישירות על המוח החשוף, ודימות תפקודי בתהודה מגנטית (functional magnetic resonance imaging) אשר מאפשר למדוד פעילות בכל חלקי המוח. הפרויקט יכלול ניתוח של בסיס נתונים ייחודי הכולל נתונים שנאספו בשתי טכנולוגיות אלו מחולים עם גידולים מוחיים. נשתמש בכלים חישוביים ובמודלים סטטיסטיים כדי לאפיין את הקשר בין פעילות שנמדדת בשתי הטכנולוגיות, לבחון את הארגון של איזורים ורשתות מוחיות, ולזהות כיצד ארגון זה משתנה לאורך מספר חודשים לאחר ניתוח להסרת הגידול. בין השאר הפרויקט יכלול שימוש בשיטות של למידת מכונה על מנת לנבא תוצאות במבדקים קוגניטיביים של המטופלים, וסיווג של רקמות בריאות לעומת רקמות חולות על סמך פעילות מוחית. כלומר, יכולת להבחין בין רקמה חולה לעומת רקמה בריאה על ידי קישוריות מוחית וקישוריות לרשתות מוחיות.
דימות מוחי מדויק (precision neuroimaging) הינו גישה מתפתחת המתמקדת בהבנת פעילות המוח ואזורים תפקודיים ברמת האדם האינדיבידואל. גישה זו כוללת שימוש במידע רווי נתונים משיטות דימות שונות ויש לכך השלכות חשובות בפיתוח שיטות רפואה מותאמות אישית.
פרויקט זה יעסוק בשילוב נתונים משיטות הדימות השונות תוך מטרה מכוונת לשימוש קליני.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא הבנה ושימוש בכלים של ניתוח נתונים ועיבוד מידע לצורך אפיון מדדים שונים של פעילות מוחית על מנת לזהות אזורים תפקודיים במוח ברמת המטופל האינדיבידואל. כלים אלו ישמשו בסיס להבנת העקרונות של ארגון אזורים ורשתות במוח וכיצד הם מושפעים מהגידול ומהסרתו.

תכולת הפרויקט:

הסטודנטים יפתחו כלים לניתוח אותות מוחיים משיטות מדידה שונות וישתמשו במודלים סטטיסטיים וויזואליזציה של התוצאות. העבודה תכלול: כתיבת קוד, ניתוח נתונים, מודלים סטטיסטיים, וקריאת ספרות.

קורסי קדם:

לא חובה:
עיבוד אותות
מדעי נתונים ביולוגיים
קורס נוירופיזיולוגיה של מערכות ו/או כל ידע על מערכות מוחיות.

דרישות נוספות:

דרושה יכולת תכנות בפייתון או ב-MATLAB.

מקורות:

1. Moataz Assem, Michael G. Hart, Pedro Coelho, Rafael Romero-Garcia, Alexa McDonald, Emma Woodberry, Robert C. Morris, Stephen J. Price, John Suckling, Thomas Santarius, John Duncan, Yaara Erez. High gamma activity distinguishes frontal cognitive control regions from adjacent cortical networks, Cortex, Volume 159, 2023, Pages 286-298. https://doi.org/10.1016/j.cortex.2022.12.007.
2. Ayan S. Mandal, Moataz Assem, Rafael Romero-Garcia, Pedro Coelho, Alexa McDonald, Emma Woodberry, Robert C. Morris, Stephen J. Price, John Duncan, Thomas Santarius, John Suckling, Michael G. Hart, Yaara Erez. Tumour-infiltrated cortex participates in large-scale cognitive circuits medRxiv 2022.12.19.22283690. https://doi.org/10.1101/2022.12.19.22283690
3. Crone N.E., Sinai A. & Korzeniewska A. (2006). High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research 159, 275–295. https://doi.org/10.1016/S0079-6123(06)59019-3