پژوهشگران فنلاندی سعی دارند تا هوش مصنوعی را برای تشخیص خطر ابتلا به زوال عقل آموزش دهند.

به گزارش ایسنا و به نقل از نوروساینس نیوز، مغز انسان از حدود ۸۶ میلیارد نورون تشکیل شده است؛ سلول‌های عصبی که اطلاعات را از طریق تکانه‌های عصبی الکتریکی پردازش و منتقل می‌کنند.

"هانا رنوال"(Hanna Renvall)، استادیار "دانشگاه آلتو"(Aalto University) و پژوهشگر "بیمارستان دانشگاه هلسینکی"(HUS) در فنلاند گفت: به همین دلیل است که ارزیابی فعالیت الکتریکی عصبی، اغلب بهترین راه برای بررسی مغز است.

"نوار مغزی" یا "الکتروانسفالوگرافی"(EEG)، پرکاربردترین روش تصویربرداری از مغز در جهان است. با وجود این، روش مورد علاقه رنوال، "مغناطیس‌نگاری‌مغزی" یا "مگنتوآنسفالوگرافی"(MEG) است که میدان‌های مغناطیسی تولید شده به واسطه فعالیت الکتریکی مغز را بررسی می‌کند.

تفسیر سیگنال‌های مغناطیس‌نگاری‌مغزی، آسان‌تر از نوار مغزی است زیرا جمجمه و سایر بافت‌ها، میدان‌های مغناطیسی را به اندازه کافی منحرف نمی‌کنند. رنوال توضیح داد که که این دقیقا همان چیزی است که این روش را به روشی بسیار عالی تبدیل می‌کند. وی افزود: مغناطیس‌نگاری‌مغزی می‌تواند قسمت فعال مغز را با دقت بسیار بیشتری پیدا کند و گاهی نیز به دقت میلی‌متری دست می‌یابد.

دستگاه مغناطیس‌نگاری‌مغزی، بسیار شبیه به سشوارهایی است که در آرایشگاه‌ها به کار می‌روند. حسگرهای "اسکوئد"(SQUID) که بررسی‌ها را انجام می‌دهند، در آن نهفته هستند و به طور موثری در دمای انجماد واقعی، نزدیک به صفر مطلق کار می‌کنند.

نخستین دستگاه مغناطیس‌نگاری‌مغزی جهان توسط شرکتی ساخته شد که از آزمایشگاه "دانشگاه فناوری هلسینکی"(TKK) پدید آمد و اکنون تولیدکننده پیشرو این تجهیزات در این زمینه است.

مغناطیس‌نگاری‌مغزی، نقش مهمی در پروژه جدید موسوم به "AI-Mind" اتحادیه اروپا بر عهده دارد که مشارکت‌کنندگان فنلاندی آن دانشگاه آلتو و بیمارستان دانشگاه هلسینکی هستند. هدف از این پروژه ۱۴ میلیون یورویی، یادگیری راه‌هایی برای شناسایی بیمارانی است که زوال عقل آنها را می‌توان به تأخیر انداخت یا حتی از آن پیشگیری کرد. برای تحقق این امر، علوم اعصاب و فناوری عصبی به کمک متخصصان هوش مصنوعی نیاز دارند.

انگشت‌نگاری مغز!

زوال عقل، نوعی اختلال عصبی است که توانایی شخص مبتلا را برای کنار آمدن با زندگی روزمره به طور قابل توجهی از بین می‌برد. حدود ۱۰ میلیون نفر در اروپا به زوال عقل مبتلا هستند و با افزایش سن جمعیت، این تعداد در حال افزایش است. شایع‌ترین بیماری که زوال عقل را در پی دارد، بیماری آلزایمر است که در ۷۰ تا ۸۰ درصد از بیماران مبتلا به زوال عقل تشخیص داده می‌شود.

پژوهشگران بر این باورند که ارتباط بین نورون‌ها پیش از این که علائم بالینی ابتدایی زوال عقل را نشان دهند، بدتر شدن را آغاز می‌کند. این امر را می‌توان در داده‌های مغناطیس‌نگاری‌مغزی مشاهده کرد؛ البته اگر می‌دانید که باید به دنبال چه چیزی باشید.

مغناطیس‌نگاری‌مغزی هنگام بررسی پاسخ مغز به محرک‌هایی مانند گفتار و لمس کردن که در لحظات خاصی رخ می‌دهند و تکراری هستند، در قوی‌ترین حالت خود قرار دارد.

تفسیر ارزیابی‌های مربوط به حالت استراحت، بسیار پیچیده‌تر است. به همین دلیل است که پروژه AI-Mind از روشی به نام "انگشت‌نگاری مغز"(fingerprint of the brain) استفاده می‌کند. این روش زمانی ایجاد شد که رنوال و پروفسور "ریتا سالملین"(Riitta Salmelin) و همکارانش بررسی کردند که آیا اندازه‌گیری‌های مغناطیس‌نگاری‌مغزی می‌توانند ژنوتیپ یک فرد را تشخیص دهند یا خیر.

بیش از ۱۰۰ جفت خواهر و برادر در این پژوهش شرکت کردند که ابتدا برای چند دقیقه با چشمان بسته و سپس برای چند دقیقه با چشمان باز با مغناطیس‌نگاری‌مغزی مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین آنها نمونه خون خود را برای یک تجزیه و تحلیل ساده ژنتیکی ارسال کردند.

هنگامی که پژوهشگران نمودارها و نشانگرهای ژنتیکی را با هم مقایسه کردند، متوجه شدند که اگرچه اختلاف قابل توجهی بین افراد وجود دارد اما نمودار خواهر و برادر، مشابه است.

در مرحله بعد، گروه "ساموئل کاسکی"(Samuel Kaski)، استاد هوش مصنوعی دانشگاه آلتو بررسی کردند که آیا رایانه می‌تواند بخش‌های نموداری را که تا حد امکان بین خواهر و برادر مشابه است و در عین حال بیشترین تفاوت را با نمودار سایر شرکت‌کنندگان دارد، شناسایی کند. رنوال گفت: رایانه یاد گرفت که شخص را کاملا براساس نمودارها تشخیص دهد؛ صرف نظر از این که تصویربرداری با چشمان باز یا بسته انجام شده باشند.

وی افزود: نمودارهایی که با چشمان بسته یا باز ثبت می‌شوند، بسیار متفاوت به نظر می‌رسند اما دستگاه توانست ویژگی‌های فردی شرکت‌کنندگان را شناسایی کند. ما در مورد این انگشت‌نگاری مغزی، بسیار هیجان‌زده هستیم و اکنون به این فکر می‌کنیم که چگونه می‌توانیم به دستگاه یاد بدهیم زوال شبکه عصبی را با روشی مشابه تشخیص دهد.

بررسی خطر در یک هفته

بخش قابل توجهی از بیماران مبتلا به زوال عقل، تنها پس از پیشروی این اختلال شناسایی می‌شوند. این موضوع توضیح می‌دهد که چرا درمان‌ها بر مدیریت علائم در مراحل پایانی تمرکز دارند. با وجود این، پژوهش‌های پیشین نشان داده‌اند که بسیاری از بیماران سال‌ها پیش از تشخیص ممکن است زوال شناختی مانند اختلالات حافظه و فکر را تجربه کنند.

یکی از اهداف پروژه AI-Mind، یادگیری راه‌هایی برای غربالگری افرادی است که در چند سال آینده، در معرض خطر بسیار بالاتر ابتلا به اختلالات حافظه قرار می‌گیرند.

پژوهشگران قصد دارند از مغز ۱۰۰۰ نفر از سراسر اروپا که در معرض خطر ابتلا به اختلالات حافظه هستند، تصویربرداری و بررسی کنند که سیگنال‌های عصبی آنها چگونه با افراد بدون زوال شناختی متفاوت هستند. سپس هوش مصنوعی، داده‌های تصویربرداری مغز آنها را با نتایج آزمایش‌های شناختی و نشانگرهای زیستی ژنتیکی مرتبط می‌کند.

پژوهشگران معتقدند که این روش می‌تواند خطر ابتلا به زوال عقل را در کمتر از یک هفته شناسایی کند. رنوال گفت: آگاه شدن به موقع مردم در مورد خطر می‌تواند اثر قابل توجهی داشته باشد.

تغییرات سبک زندگی مانند پیروی از یک رژیم غذایی سالم‌تر، ورزش کردن، درمان بیماری‌های قلبی-عروقی و توان‌بخشی شناختی می‌توانند پیشروی اختلالات حافظه را به طور قابل توجهی کند سازند. رنوال ادامه داد: مدیریت بهتر فاکتورهای خطر می‌تواند سال‌های زندگی خوبی را برای بیمار فراهم کند که برای آنها، بستگان و جامعه، بسیار ارزشمند است.

شناسایی افراد در معرض خطر در چند سال آینده و زمانی که نخستین داروهای کندکننده پیشرفت بیماری به بازار عرضه می‌شوند، مهم خواهد بود. رنوال گفت: این یک رویداد مهم خواهد بود زیرا درمان دارویی اختلالات حافظه، هیچ پیشرفت قابل توجهی را در دو دهه اخیر نداشته است.

داروهای جدید برای همه افراد مناسب نیستند. رنوال تاکید کرد: این داروها و عوارض جانبی آنها بسیار قوی هستند؛ به همین دلیل است که ما باید افرادی را شناسایی کنیم که می‌توانند بیشترین سود را از آنها ببرند.

فعالیت مغز شامل جریان‌های الکتریکی است که میدان‌های مغناطیسی را تولید می‌کنند که می‌توان آنها از بیرون جمجمه بررسی کرد.

این فرآیند در جهت دیگری نیز کار می‌کند؛ اصلی که "تحریک مغناطیسی مغز"(TMS) بر آن استوار است. در درمان‌های مبتنی بر تحریک مغناطیسی مغز، یک سیم‌پیچ روی سر قرار می‌گیرد تا میدان مغناطیسی قدرتمندی را تولید کند که بدون از دست دادن قدرت خود از طریق پوست و استخوان به مغز می‌رسد. پالس میدان مغناطیسی به ایجاد یک میدان الکتریکی کوتاه و ضعیف در مغز می‌انجامد که بر فعالیت نورون تأثیر می‌گذارد.

"ریستو ایلمونیمی"(Risto Ilmoniemi)، استاد فیزیک کاربردی که چندین دهه در حال توسعه و استفاده از روش تحریک مغناطیسی مغز بوده است، گفت: اگرچه این روش، تهاجمی به نظر می‌رسد اما کاملا بی‌خطر است.

وی افزود: قدرت میدان الکتریکی با میدان‌های الکتریکی خود مغز قابل مقایسه است. بیمار این تحریک را که به صورت پالس منتقل می‌شود، روی پوست خود احساس می‌کند.

از تحریک مغناطیسی برای درمان افسردگی شدید و دردهای عصبی استفاده می‌شود. حداقل ۲۰۰ میلیون نفر در سراسر جهان از افسردگی شدید رنج می‌برند. درد نوروپاتیک در میان بیماران مبتلا به آسیب نخاعی، دیابت و ام‌اس نیز شایع است. داروها تنها به نیمی از بیماران مبتلا به افسردگی تسکین کافی را ارائه می‌دهند. این آمار در مورد مبتلایان به درد نوروپاتیک تنها ۳۰ درصد است.

تعداد دفعات انتقال پالس‌ها، براساس بیماری تحت درمان است. برای افسردگی، ارتباط بین نورونی با مجموعه پالس‌های فرکانس بالا تحریک می‌شود؛ در حالی که پالس‌هایی با فرکانس پایین‌تر برای تسکین درد نوروپاتیک به کار می‌روند. تحریک در بخشی از مغز انجام می‌شود که طبق آخرین علم پزشکی، نورون‌های مرتبط با بیماری تحت درمان در آن قرار دارند.

حدود نیمی از بیماران تحت درمان، تسکین قابل توجهی را از تحریک مغناطیسی دریافت می‌کنند. ایلمونیمی معتقد است که با استفاده از سیم‌پیچ‌های بیشتر و کمک الگوریتم‌ها، این آمار می‌تواند بسیار بالاتر برود.

در سال ۲۰۱۸، پروژه تحقیقاتی موسوم به "اتصال به مغز"(ConnectToBrain) به سرپرستی ایلمونیمی، ۱۰ میلیون یورو از بودجه هم‌افزایی "شورای تحقیقات اروپا"(ERC) را دریافت کرد. این نخستین باری بود که بودجه هم‌افزایی به پروژه‌ای اعطا شد که به سرپرستی یک دانشگاه فنلاندی انجام می‌گرفت. در این پروژه، کارشناسان برجسته‌ای از آلمان و ایتالیا نیز حضور داشتند.

هدف این پروژه، بهبود اساسی تحریک مغناطیسی با دو روش است؛ ساخت یک دستگاه تحریک مغناطیسی با حداکثر ۵۰ سیم‌پیچ و با توسعه الگوریتم‌هایی برای کنترل خودکار تحریک در زمان واقعی و براساس بازخورد نوار مغزی.

ایلمونیمی برای مقایسه این روش، به دنیای موسیقی نگاه می‌کند. وی افزود: تفاوت بین فناوری جدید و قدیمی شبیه به این است که یک پیانیست کنسرت که با دو دست می‌نوازد، در حالی که از محافظ شنوایی استفاده می‌کند، به جای زدن یک کلید، به طور مداوم اجرای خود را براساس آنچه می‌شنود تنظیم کند.

پژوهشگران پیشتر از یک دستگاه مجهز به دو سیم‌پیچ استفاده کرده‌اند تا نشان دهند که یک الگوریتم می‌تواند تحریک را ۱۰ برابر سریع‌تر از باتجربه‌ترین متخصصان، در جهت درست هدایت کند. این تازه آغاز کار است.

یک دستگاه مجهز به پنج سیم‌پیچ که در سال گذشته تکمیل شد، در هر بار استفاده، مساحتی به اندازه ۱۰ سانتی متر مربع از قشر مغز را پوشش می‌دهد. یک سیستم مجهز به ۵۰ سیم‌پیچ می‌تواند هر دو نیمکره مغز را پوشش دهد.

ساخت این نوع دستگاه با چالش‌های فنی زیادی همراه است. قرار دادن همه این سیم‌پیچ‌ها در اطراف سر، کار آسانی نیست و همچنین، تولید جریان‌های قوی، ایمنی کافی را ندارد.

حتی زمانی که این مشکلات حل شوند، دشوارترین پرسش باقی می‌ماند. چگونه می‌توانیم با مغز به بهترین شکل ممکن رفتار کنیم؟

ایلمونیمی گفت: الگوریتم به چه نوع اطلاعاتی نیاز دارد؟ چه داده‌هایی باید به یادگیری آن کمک کنند؟ این یک چالش بزرگ برای ما و همکاران ما به شمار می‌رود.

هدف این پروژه، ساخت یک دستگاه تحریک مغناطیسی برای دانشگاه آلتو، یک دستگاه دیگر برای "دانشگاه توبینگن"(University of Tübingen) در آلمان و سومین دستگاه برای "دانشگاه چیتی پسکارا"(Ud'A) در ایتالیا است. پژوهشگران امیدوارند که در آینده، هزاران دستگاه از این نوع در سرتاسر جهان فعال شوند. به گفته آنها، هرچه داده‌های بیشتری در مورد بیمار جمع‌آوری شوند، الگوریتم‌ها بهتر می‌توانند بیاموزند و درمان‌ها نیز می‌توانند مؤثرتر شوند.

حسگرهای نوری کوانتومی

گروه پروفسور "لوری پارککنن"(Lauri Parkkonen) در حال توسعه نوع جدیدی از دستگاه مغناطیس‌نگاری‌مغزی است که با اندازه و شکل سر سازگار است و از حسگرهای نوری کوانتومی استفاده می‌کند. برخلاف حسگرهای اسکوئد که در حال حاضر در مغناطیس‌نگاری‌مغزی استفاده می‌شوند، نیازی به پوشاندن حسگرهای نوری کوانتومی در یک لایه ضخیم عایق نیست و این امکان را فراهم می‌کند که اندازه‌گیری‌ها نزدیک‌تر به سطح پوست سر انجام شوند. این امر، انجام دادن بررسی‌های دقیق روی کودکان و نوزادان را آسان‌تر می‌کند.

این پژوهش با سرعت بالایی پیش رفته و نتایج امیدوارکننده‌ای را به همراه داشته است. بررسی‌های انجام‌شده با حسگرهای نوری در حال حاضر به دقت بررسی‌های انجام‌شده در جمجمه نزدیک شده‌اند.

پارککنن باور دارد که یک سیستم مغناطیس‌نگاری‌مغزی مبتنی بر حسگرهای نوری می‌تواند تا حدودی ارزان‌تر و فشرده‌تر باشد و در نتیجه نصب آن آسان‌تر از دستگاه‌های سنتی است. چنین سیستمی می‌تواند مانند سیستم‌های مغناطیس‌نگاری‌مغزی معمولی، از یک سپر مغناطیسی به جای یک اتاقک محافظ بزرگ استفاده کند.