123RF
Polsko-japońskie badania nad sztuczną inteligencją w profilaktyce otępienia
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 19.04.2023
Źródło: Żaneta Kopczyńska/portal.umk.pl
Działy:
Aktualności w Neurologia
Aktualności
| Tagi: | cyfrowe neurobiomarkery, sztuczna inteligencja, otępienie, zaburzenia poznawcze, Bibianna Bałaj, Tomasz Komendziński, Tomasz M. Rutkowski, Arkadiusz Gut |
Badacze z UMK oraz RIKEN AIP w Tokio pracują nad stworzeniem cyfrowych neurobiomarkerów, dzięki czemu będzie można przewidzieć wczesne oznaki łagodnych zaburzeń poznawczych już u osób w wieku średnim.
Badacze z Wydziału Filozofii i Nauk Społecznych Uniwersytetu Mikołaja Kopernika od niemal dwóch lat ściśle współpracują z naukowcami z Center of Advanced Intelligence Project RIKEN. Platformą dla realizacji planów badawczych na toruńskiej uczelni był projekt wyłaniającego się pola badawczego PeCoLA (Perception, Cognition, Language), a dziś wspólne badania wpisują się w kolejny projekt wyłaniającego pola badawczego Culture, Development and Wellbeing. Obydwoma projektami EF kieruje dr Bibianna Bałaj.
RIKEN AIP to centrum będące częścią RIKEN, największego i niemal w całości finansowanego przez rząd Japonii instytutu naukowego, słynącego z wysokiej jakości wyników w różnorodnych dyscyplinach badawczych, m.in. w fizyce, chemii, biologii, genomice, naukach medycznych – od badań podstawowych po zastosowania praktyczne. Jednostka istnieje od 1917 r. Dziś tworzy ją sieć światowej klasy ośrodków badawczych w całej Japonii, łącznie to prawie 3 tys. naukowców w siedmiu kampusach współpracujących z niemal 500 partnerami.
W części toruńskiej pracami kieruje dr Tomasz Komendziński z Katedry Kognitywistyki w Instytucie Badań Informacji i Komunikacji. Po stronie japońskiej zaś za badania odpowiada dr Tomasz M. Rutkowski, którego z UMK wiążą dwa pobyty w ramach konkursów na mobilność.
– Nasza współpraca zaowocowała stworzeniem wspólnych i nowatorskich paradygmatów eksperymentalnych wykorzystanych w badaniach w Japonii i Polsce, wizytami studyjnymi obu stron, publikacjami oraz prezentacjami konferencyjnymi. W najbliższej przyszłości liczymy również, że uda się zaprosić na staże naukowe w Tokio polskich studentów, którzy są zaangażowani w badania – mówi dr Rutkowski.
Wyniki wspólnego pilotażowego projektu badawczego są obiecujące i potwierdzają możliwość stworzenia solidnego narzędzia przewidującego wczesne otępienia w różnorodnych środowiskach kulturowych Japonii i Polski. – Nie kończymy jednak pracy, a wręcz chcemy poszerzyć jej zakres w kierunku praktycznego zastosowania sztucznej inteligencji dla dobra społecznego – dodaje ekspert.
Wczesna diagnostyka jest kluczowa
Badania dotyczą wczesnej diagnostyki otępienia i śledzenia interwencji kognitywnych, niefarmakologicznych, zapobiegających rozwojowi otępień starczych. Prowadzone są pod hasłem AI for Social Good, czyli praktycznego zastosowania sztucznej inteligencji dla dobra społecznego.
Wspólny japońsko-polski projekt, zainicjowany przez obu naukowców, zakłada pomoc w zastosowaniu uczenia maszynowego do prognozowania wczesnego pogorszenia się funkcji poznawczych, które mogą prowadzić do poważnych otępień starczych. Wczesna diagnostyka oraz profilaktyka umożliwiają zatrzymanie lub opóźnienie objawów otępienia. Ma to znaczenie z kilku perspektyw: pozwala przewidzieć potrzebę przyszłych nakładów finansowych na opiekę, będących obciążeniem narodowych systemów zdrowotnych, oraz wspierać dobre funkcjonowanie rodziny w wielopokoleniowym modelu. Daje to również szansę uniknięcia wykluczenia, które pogłębia negatywne skutki zaburzonego procesu starzenia.
Dr Tomasz Komendziński i dr Tomasz M. Rutkowski tłumaczą, że interfejs mózg–komputer (BCI) oraz wydajne algorytmy uczenia maszynowego pomogą w opracowaniu cyfrowych neurobiomarkerów, dzięki czemu będzie można przewidzieć wczesne oznaki łagodnych zaburzeń poznawczych już u osób w wieku średnim. Dzięki temu możliwe będzie włączenie niefarmakologicznych interwencji kognitywnych w celu zabezpieczenia przed otępieniem starczym.
– Zwykle myślimy, że wczesne objawy otępienia dotyczą osób w wieku 60–70 lat. Nam zależy na tym, aby znaleźć taki biomarker w mózgu, który pokaże zupełny początek choroby – chodzi więc o osoby w wieku ok. 45 lat – tłumaczy dr Rutkowski.
Ludzie są wtedy jeszcze na tyle młodzi, że zmiana stylu życia, by poprawić jego jakość w przyszłości, może być sposobem na zatrzymanie lub opóźnienie rozwoju zaburzeń poznawczych prowadzących do otępienia.
– Naszym zadaniem nie jest pomoc w tworzeniu nowych leków. Chcemy opracować nowe modele zachowań i monitorować ich efektywność, gdyż personalizacja interwencji kognitywnych jest bardzo ważna dla efektywnej promocji zmian stylu życia. Im wcześniej i efektywniej bowiem zaczniemy działać, tym większe mamy szanse na wzmocnienie naszej rezerwy poznawczej i mózgowej oraz poprawę naszego dobrostanu – wyjaśnia dr Komendziński.
Badania mózgu
W trakcie pilotażowego projektu w Japonii przebadano przed pandemią 35 seniorów, a w ubiegłym roku kolejnych 30 ochotników i ochotniczek na uniwersytecie w Toruniu. Po stronie polskiej w badania zaangażowali się seniorzy z toruńskiej Kamienicy Inicjatyw. Naukowcy nawiązali także współpracę z Krajowym Instytutem Gospodarki Senioralnej oraz z Toruńskim Uniwersytetem Trzeciego Wieku. – Po stronie japońskiej było więcej przeszkód, ponieważ obowiązują tam jeszcze różnego rodzaju obostrzenia związane z COVID-19, dlatego osobiste spotkania z seniorami nie były łatwe do zorganizowania. Mimo to udało się – mówi dr Komendziński.
Toruńską część projektu zasilają kognitywiści i psychologowie, zainteresowani przede wszystkim stanem rozwojowym i funkcjonalnym funkcji poznawczych. W Japonii badacze zajęli się inżynierską częścią eksperymentu; prace zaczęli od badań aktywności mózgu (EEG) oraz tworzenia nowatorskich metod uczenia maszynowego do analizy fal mózgowych.
– Z czasem, dzięki doświadczeniu naukowców z Torunia w badaniach behawioralnych, poszerzymy nasz repertuar o eyetracking, czyli technologię służącą śledzeniu ruchu gałki ocznej, czy też spojrzenia (gaze studies). Metody uczenia maszynowego stworzone przez zespół RIKEN AIP w Tokio doskonale się do tego nadają. W ramach dokładania kolejnych modalności chcemy rozpocząć badania z użyciem zapachów – wyjaśnia dr Rutkowski.
Sprzęt jest już w gotowości. Olfaktometr, który został zakupiony w ramach projektu finansowanego z funduszy europejskich „Medycyna a zdrowie człowieka. Kujawsko-pomorski interdyscyplinarny program diagnozy spersonalizowanej i opieki zdrowotnej”, daje możliwość jednoczesnej rejestracji sygnału EEG oraz fMRI podczas stymulacji zapachowej. Ważne jest, aby obie strony – i polska, i japońska – wykorzystywały takie same urządzenia. Dzięki temu zebrane dane są bardziej przekonujące, uzasadnione i zdecydowanie łatwiej je porównywać.
Naukowcy zamierzają rozszerzyć nie tylko metody i narzędzia badawcze, ale również zakres geograficzny. Chcą wyjść poza Polskę i Japonię, w kierunku szerszych badań międzykulturowych. Niektóre elementy opracowanych paradygmatów eksperymentalnych dają możliwość ich wykorzystania poza badaniami nad otępieniem. Taką próbę podejmuje grupa kierowana przez dr. hab. Arkadiusza Guta, prof. UMK (Katedra Kognitywistyki) w odniesieniu do mindreadingu.
Badania domowe
Zaletą rozwiązań proponowanych przez grupę polsko-japońskich naukowców jest łatwość i wygoda wykonywania badań w przyszłości. Dlatego też, choć badania wykonywane są profesjonalnym sprzętem naukowym, gwarantującym wysoką jakość danych i replikowalność, jednocześnie testowany jest sprzęt prosty w obsłudze i dostępny finansowo.
– Mamy na uwadze używanie w niedalekiej przyszłości prostych i zdatnych do noszenia urządzeń pomiarowych. I tanich, a więc potencjalnie łatwo dostępnych. To ważne, bo zależy nam, aby technologia, którą rozwijamy, była możliwa do wykorzystania w domowych warunkach – zaznacza dr Komendziński.
– Badaniom w przychodniach czy klinikach często towarzyszy stres, który może zaburzać wyniki. Ponoszone są również koszty. Dlatego naukowcy dążą do tego, by każdy samodzielnie w domu mógł sprawdzić, czy dane neurobiomarkery występują w EEG – tak, jak robimy to dzisiaj, mierząc temperaturę czy ciśnienie. Wierzymy, że badania te mogą być wówczas bardziej wiarygodne – dodaje dr Rutkowski.
Ambitne plany
Badacze są obecnie na zaawansowanym etapie przygotowywania treści umowy projektowej, która ureguluje problemy współdzielenia danych eksperymentalnych, praw autorskich oraz która określi ogólne zasady współpracy badawczej. Da ona również szansę wyjazdu na staże naukowe do RIKEN AIP studentom UMK włączonym do realizacji wspólnych projektów na zaproszenie partnera japońskiego.
W ramach współpracy naukowcy z obu ośrodków planują zorganizować w ostatnim tygodniu września 2023 r. międzynarodowe warsztaty w Toruniu. Będzie to kontynuacja wydarzeń organizowanych w Japonii pod koniec roku 2022 (First International Workshop on Complex Systems Science & Health Neuroscience, Doshisha University oraz Workshop on AI Application for Dementia – Machine Learning, Robotics and Health Neuroscience Approaches for Aging Societies, Tokyo, RIKEN AIP). Toruńskie wydarzenie dodatkowo będzie miało część poświęconą matematycznym podstawom uczenia maszynowego, jako problematyce bardzo istotnej dla wielu grup badawczych w RIKEN AIP.
RIKEN AIP to centrum będące częścią RIKEN, największego i niemal w całości finansowanego przez rząd Japonii instytutu naukowego, słynącego z wysokiej jakości wyników w różnorodnych dyscyplinach badawczych, m.in. w fizyce, chemii, biologii, genomice, naukach medycznych – od badań podstawowych po zastosowania praktyczne. Jednostka istnieje od 1917 r. Dziś tworzy ją sieć światowej klasy ośrodków badawczych w całej Japonii, łącznie to prawie 3 tys. naukowców w siedmiu kampusach współpracujących z niemal 500 partnerami.
W części toruńskiej pracami kieruje dr Tomasz Komendziński z Katedry Kognitywistyki w Instytucie Badań Informacji i Komunikacji. Po stronie japońskiej zaś za badania odpowiada dr Tomasz M. Rutkowski, którego z UMK wiążą dwa pobyty w ramach konkursów na mobilność.
– Nasza współpraca zaowocowała stworzeniem wspólnych i nowatorskich paradygmatów eksperymentalnych wykorzystanych w badaniach w Japonii i Polsce, wizytami studyjnymi obu stron, publikacjami oraz prezentacjami konferencyjnymi. W najbliższej przyszłości liczymy również, że uda się zaprosić na staże naukowe w Tokio polskich studentów, którzy są zaangażowani w badania – mówi dr Rutkowski.
Wyniki wspólnego pilotażowego projektu badawczego są obiecujące i potwierdzają możliwość stworzenia solidnego narzędzia przewidującego wczesne otępienia w różnorodnych środowiskach kulturowych Japonii i Polski. – Nie kończymy jednak pracy, a wręcz chcemy poszerzyć jej zakres w kierunku praktycznego zastosowania sztucznej inteligencji dla dobra społecznego – dodaje ekspert.
Wczesna diagnostyka jest kluczowa
Badania dotyczą wczesnej diagnostyki otępienia i śledzenia interwencji kognitywnych, niefarmakologicznych, zapobiegających rozwojowi otępień starczych. Prowadzone są pod hasłem AI for Social Good, czyli praktycznego zastosowania sztucznej inteligencji dla dobra społecznego.
Wspólny japońsko-polski projekt, zainicjowany przez obu naukowców, zakłada pomoc w zastosowaniu uczenia maszynowego do prognozowania wczesnego pogorszenia się funkcji poznawczych, które mogą prowadzić do poważnych otępień starczych. Wczesna diagnostyka oraz profilaktyka umożliwiają zatrzymanie lub opóźnienie objawów otępienia. Ma to znaczenie z kilku perspektyw: pozwala przewidzieć potrzebę przyszłych nakładów finansowych na opiekę, będących obciążeniem narodowych systemów zdrowotnych, oraz wspierać dobre funkcjonowanie rodziny w wielopokoleniowym modelu. Daje to również szansę uniknięcia wykluczenia, które pogłębia negatywne skutki zaburzonego procesu starzenia.
Dr Tomasz Komendziński i dr Tomasz M. Rutkowski tłumaczą, że interfejs mózg–komputer (BCI) oraz wydajne algorytmy uczenia maszynowego pomogą w opracowaniu cyfrowych neurobiomarkerów, dzięki czemu będzie można przewidzieć wczesne oznaki łagodnych zaburzeń poznawczych już u osób w wieku średnim. Dzięki temu możliwe będzie włączenie niefarmakologicznych interwencji kognitywnych w celu zabezpieczenia przed otępieniem starczym.
– Zwykle myślimy, że wczesne objawy otępienia dotyczą osób w wieku 60–70 lat. Nam zależy na tym, aby znaleźć taki biomarker w mózgu, który pokaże zupełny początek choroby – chodzi więc o osoby w wieku ok. 45 lat – tłumaczy dr Rutkowski.
Ludzie są wtedy jeszcze na tyle młodzi, że zmiana stylu życia, by poprawić jego jakość w przyszłości, może być sposobem na zatrzymanie lub opóźnienie rozwoju zaburzeń poznawczych prowadzących do otępienia.
– Naszym zadaniem nie jest pomoc w tworzeniu nowych leków. Chcemy opracować nowe modele zachowań i monitorować ich efektywność, gdyż personalizacja interwencji kognitywnych jest bardzo ważna dla efektywnej promocji zmian stylu życia. Im wcześniej i efektywniej bowiem zaczniemy działać, tym większe mamy szanse na wzmocnienie naszej rezerwy poznawczej i mózgowej oraz poprawę naszego dobrostanu – wyjaśnia dr Komendziński.
Badania mózgu
W trakcie pilotażowego projektu w Japonii przebadano przed pandemią 35 seniorów, a w ubiegłym roku kolejnych 30 ochotników i ochotniczek na uniwersytecie w Toruniu. Po stronie polskiej w badania zaangażowali się seniorzy z toruńskiej Kamienicy Inicjatyw. Naukowcy nawiązali także współpracę z Krajowym Instytutem Gospodarki Senioralnej oraz z Toruńskim Uniwersytetem Trzeciego Wieku. – Po stronie japońskiej było więcej przeszkód, ponieważ obowiązują tam jeszcze różnego rodzaju obostrzenia związane z COVID-19, dlatego osobiste spotkania z seniorami nie były łatwe do zorganizowania. Mimo to udało się – mówi dr Komendziński.
Toruńską część projektu zasilają kognitywiści i psychologowie, zainteresowani przede wszystkim stanem rozwojowym i funkcjonalnym funkcji poznawczych. W Japonii badacze zajęli się inżynierską częścią eksperymentu; prace zaczęli od badań aktywności mózgu (EEG) oraz tworzenia nowatorskich metod uczenia maszynowego do analizy fal mózgowych.
– Z czasem, dzięki doświadczeniu naukowców z Torunia w badaniach behawioralnych, poszerzymy nasz repertuar o eyetracking, czyli technologię służącą śledzeniu ruchu gałki ocznej, czy też spojrzenia (gaze studies). Metody uczenia maszynowego stworzone przez zespół RIKEN AIP w Tokio doskonale się do tego nadają. W ramach dokładania kolejnych modalności chcemy rozpocząć badania z użyciem zapachów – wyjaśnia dr Rutkowski.
Sprzęt jest już w gotowości. Olfaktometr, który został zakupiony w ramach projektu finansowanego z funduszy europejskich „Medycyna a zdrowie człowieka. Kujawsko-pomorski interdyscyplinarny program diagnozy spersonalizowanej i opieki zdrowotnej”, daje możliwość jednoczesnej rejestracji sygnału EEG oraz fMRI podczas stymulacji zapachowej. Ważne jest, aby obie strony – i polska, i japońska – wykorzystywały takie same urządzenia. Dzięki temu zebrane dane są bardziej przekonujące, uzasadnione i zdecydowanie łatwiej je porównywać.
Naukowcy zamierzają rozszerzyć nie tylko metody i narzędzia badawcze, ale również zakres geograficzny. Chcą wyjść poza Polskę i Japonię, w kierunku szerszych badań międzykulturowych. Niektóre elementy opracowanych paradygmatów eksperymentalnych dają możliwość ich wykorzystania poza badaniami nad otępieniem. Taką próbę podejmuje grupa kierowana przez dr. hab. Arkadiusza Guta, prof. UMK (Katedra Kognitywistyki) w odniesieniu do mindreadingu.
Badania domowe
Zaletą rozwiązań proponowanych przez grupę polsko-japońskich naukowców jest łatwość i wygoda wykonywania badań w przyszłości. Dlatego też, choć badania wykonywane są profesjonalnym sprzętem naukowym, gwarantującym wysoką jakość danych i replikowalność, jednocześnie testowany jest sprzęt prosty w obsłudze i dostępny finansowo.
– Mamy na uwadze używanie w niedalekiej przyszłości prostych i zdatnych do noszenia urządzeń pomiarowych. I tanich, a więc potencjalnie łatwo dostępnych. To ważne, bo zależy nam, aby technologia, którą rozwijamy, była możliwa do wykorzystania w domowych warunkach – zaznacza dr Komendziński.
– Badaniom w przychodniach czy klinikach często towarzyszy stres, który może zaburzać wyniki. Ponoszone są również koszty. Dlatego naukowcy dążą do tego, by każdy samodzielnie w domu mógł sprawdzić, czy dane neurobiomarkery występują w EEG – tak, jak robimy to dzisiaj, mierząc temperaturę czy ciśnienie. Wierzymy, że badania te mogą być wówczas bardziej wiarygodne – dodaje dr Rutkowski.
Ambitne plany
Badacze są obecnie na zaawansowanym etapie przygotowywania treści umowy projektowej, która ureguluje problemy współdzielenia danych eksperymentalnych, praw autorskich oraz która określi ogólne zasady współpracy badawczej. Da ona również szansę wyjazdu na staże naukowe do RIKEN AIP studentom UMK włączonym do realizacji wspólnych projektów na zaproszenie partnera japońskiego.
W ramach współpracy naukowcy z obu ośrodków planują zorganizować w ostatnim tygodniu września 2023 r. międzynarodowe warsztaty w Toruniu. Będzie to kontynuacja wydarzeń organizowanych w Japonii pod koniec roku 2022 (First International Workshop on Complex Systems Science & Health Neuroscience, Doshisha University oraz Workshop on AI Application for Dementia – Machine Learning, Robotics and Health Neuroscience Approaches for Aging Societies, Tokyo, RIKEN AIP). Toruńskie wydarzenie dodatkowo będzie miało część poświęconą matematycznym podstawom uczenia maszynowego, jako problematyce bardzo istotnej dla wielu grup badawczych w RIKEN AIP.
