Urządzenie energooszczędne zbudowane z sztucznych neuronów może odczytywać falę mózgu

Urządzenia elektroniczne, na których opierają się obecne algorytmy sieci neuronowych, wymagają ogromnej ilości 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, z chipem dokładnie i niezawodnie rozpoznającym złożone biosygnale.

Nowe badania zostały opublikowane w Nature Communications.

Wykrywanie HFO

Zespół wykorzystał tę technologię do pomyślnego wykrycia wcześniej zarejestrowanych wysokoczęstotliwościowych oscylacji (HFO), które są mierzone za pomocą śródmózgowego elektroencefalogramu (iEEG). HFO okazały się niezawodne w identyfikowaniu tkanki mózgu 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 odbiera sygnały neuronowe za pomocą elektrod, które są niezwykle energooszczędne.

Ze względu na tę wydajność, obliczenia mogą być wykonywane z bardzo wysoką rozdzielczością czasową, nie polegając na Internecie ani obliczeniach w chmurze.

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 teraz starają się wykorzystać nowe odkrycia do opracowania systemu elektronicznego, który może niezawodnie rozpoznać i monitorować HFO w czasie rzeczywistym. Zgodnie z zespołem, jeśli narzędzie to zostanie użyte 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 używane 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.

„Przenośny lub wszczepialny chip tego rodzaju mógłby identyfikować okresy z wyższym lub niższym wskaźnikiem występowania napadów, co umożliwiłoby nam dostarczenie spersonalizowanej medycyny” – 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 Uniwersyteckim Szpitalem Dziecięcym w Zurychu.