Urządzenie energooszczędne zbudowane z sztucznych neuronów może odczytywać falę mózgu

Urządzenia elektroniczne, na których opierają się obecne algorytmy sieci neuronowych, wymagają ogromnej mocy obliczeniowej, co oznacza, że te systemy sztucznej inteligencji (AI) są jeszcze daleko od równania się z ludzkim mózgiem pod względem przetwarzania informacji sensorycznych lub interakcji ze środowiskiem w czasie rzeczywistym.

Kluczem do pokonania tego wyzwania może być inżynieria neuromorficzna, która jest nowym podejściem łączącym sztuczną i naturalną inteligencję. Naukowcy z Uniwersytetu w Zurychu, ETH Zurych i Uniwersyteckiego Szpitala w Zurychu opierają się na tym podejściu, aby opracować chip oparty na technologii neuromorficznej, który dokładnie i niezawodnie rozpoznaje złożone biosygnale.

Nowe badania zostały opublikowane w Nature Communications.

Wykrywanie HFO

Zespół wykorzystał tę technologię, aby pomyślnie wykryć wcześniej zarejestrowane wysokoczęstotliwościowe oscylacje (HFO), które są mierzone za pomocą intrakranialnego elektroencefalogramu (iEEG). HFO okazały się niezawodne w identyfikowaniu tkanki mózgowej odpowiedzialnej za napady epileptyczne.

Zespół symulował naturalną sieć neuronową mózgu, zwaną siecią neuronową szczytową (SNN), aby opracować algorytm do wykrywania HFO. Następnie zaimplementowali SNN w małym kawałku sprzętu, który otrzymuje sygnały neuronowe przez elektrody, które są niezwykle energooszczędne.

Ze względu na tę wydajność, obliczenia mogą być wykonywane z bardzo wysoką rozdzielczością czasową, bez polegania na Internecie lub chmurze obliczeniowej.

Giacomo Indiveri jest profesorem w Instytucie Neuroinformatyki UZH i ETH Zurych.

„Nasze rozwiązanie pozwala nam rozpoznać przestrzenno-czasowe wzorce w sygnałach biologicznych w czasie rzeczywistym” – mówi Indiveri.

Zastosowania praktyczne

Naukowcy są teraz zainteresowani wykorzystaniem nowych odkryć do opracowania systemu elektronicznego, który może niezawodnie rozpoznać i monitorować HFO w czasie rzeczywistym. Zgodnie z zespołem, jeśli narzędzie to zostanie wykorzystane jako dodatkowe narzędzie diagnostyczne w salach operacyjnych, może poprawić wynik interwencji neurochirurgicznych.

Rozpoznanie HFO może również wpłynąć na inne dziedziny, a długoterminowym celem zespołu jest opracowanie urządzenia do monitorowania epilepsji. Tego rodzaju urządzenie mogłoby być wykorzystywane poza szpitalem, umożliwiając analizę sygnałów z dużej liczby elektrod przez kilka tygodni lub miesięcy.

„Chcemy zintegrować niską energię, bezprzewodową komunikację danych w projekcie – aby połączyć ją z telefonem komórkowym, na przykład” – mówi Indiveri.

Johannes Sarnthein jest neurofizjologiem w Uniwersyteckim Szpitalu w Zurychu.

„Urządzenie przenośne lub implantowalne, takie jak to, mogłoby identyfikować okresy z wyższą lub niższą częstotliwością występowania napadów, co umożliwiłoby nam dostarczenie leków personalizowanych” – mówi Sarnthein.

Badania nad epilepsją są prowadzone w Centrum Epileptologii i Chirurgii Epilepsji w Zurychu, które jest częścią partnerstwa między Uniwersyteckim Szpitalem w Zurychu, Szwajcarskim Kliniką Epilepsji i Dziecięcym Szpitalem Uniwersyteckim w Zurychu.