Συν αλγορίθμω και χείρα κίνει

Ερευνητές από το Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ) ανέπτυξαν διεθνώς και για πρώτη φορά αλγόριθμο που αναλύει με μεγάλη πιστότητα και χαμηλό υπολογιστικό κόστος σήματα των νευρώνων για την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών συστημάτων επικοινωνίας Εγκεφάλου-Μηχανής (Brain-Machine Interfaces).

Η εν λόγω ανακάλυψη, που πραγματοποίησαν οι ερευνητές Παναγιώτα Ποϊράζη και Παναγιώτης Πετραντωνάκης του Εργαστηρίου Υπολογιστικής Βιολογίας, δημοσιεύτηκε στο διεθνούς κύρους επιστημονικό περιοδικό «Frontiers in Neuroscience».

Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόστηκε σε σήματα προσομοιώσεων, αλλά και σε αρουραίους.

Η χρήση της νέας μεθόδου, όπως είπαν στην «Εφ.Συν», θα βοηθήσει στην κίνηση τεχνητών μελών ανθρώπων που έχουν υποστεί ακρωτηριασμό.

◼ Κυρία Ποϊράζη και κύριε Πετραντωνάκη, τι είναι οι τεχνικές επικοινωνίας Εγκεφάλου-Μηχανής;

Οι σύγχρονες επεμβατικές τεχνικές για ανάπτυξη συστημάτων Επικοινωνίας Εγκεφάλου-Μηχανής (ΕΕΜ), όπως είναι τα τεχνητά προσθετικά μέλη, στηρίζονται στην καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας με τη χρήση ηλεκτροδίων που εισάγονται στον εγκεφαλικό φλοιό. Για την αποκωδικοποίηση αυτών των σημάτων χρησιμοποιούνται κατάλληλοι αλγόριθμοι που απομακρύνουν τον θόρυβο, αποκωδικοποιούν και διαχωρίζουν τη δραστηριότητα συγκεκριμένων νευρώνων.

◼ Πρακτικά πού χρησιμοποιείται αυτό στον άνθρωπο;

Η δραστηριότητα αυτή μπορεί, για παράδειγμα, να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση ενός τεχνητού μέλους σε άτομα, τα οποία έχουν υποστεί ακρωτηριασμό. Η ανάπτυξη αυτών των αλγορίθμων αποτελεί μεγάλη πρόκληση, καθώς τα σήματα λαμβάνονται σε περιβάλλον μεγάλου θορύβου, που προέρχεται τόσο από τα όργανα της καταγραφής όσο και από την πολυπλεξία της δραστηριότητας πολλών νευρώνων, σε σήματα που προέρχονται από ένα μόνο ηλεκτρόδιο.

◼ Η πολυπλοκότητα αυτή κάνει την έρευνα ερεθιστικότερη;

Βεβαίως, λόγω αυτών των δυσκολιών οι αντίστοιχοι αλγόριθμοι αποτελούνται από πολλαπλά και με μεγάλο υπολογιστικό κόστος στάδια επεξεργασίας των σημάτων. Αυτό καθιστά δύσκολη την ανάπτυξη συστημάτων, όπου η καταγραφή και η επεξεργασία θα γίνεται από πολλά ηλεκτρόδια από συσκευές, οι οποίες θα είναι μικρές και ασύρματες για μεγαλύτερη ευελιξία των συστημάτων Επικοινωνίας Εγκεφάλου-Μηχανής.

◼ Ποιο είναι το καινοτόμο στοιχείο σας;

Εμείς στο ΙΤΕ αναπτύξαμε ένα νέο αλγόριθμο, ο οποίος παρακάμπτει πολλά από τα στάδια επεξεργασίας των παραδοσιακών αλγορίθμων, μειώνοντας δραστικά την υπολογιστική πολυπλοκότητα και ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για την ανάπτυξη ΕΕΜ συστημάτων, τα οποία θα υλοποιούνται σε ασύρματες, μη ενεργοβόρες συσκευές (hardware).

Ο νέος αλγόριθμος εκμεταλλεύεται τα διαφορετικά χαρακτηριστικά των σημάτων που προέρχονται από διαφορετικούς νευρώνες και μέσω ενός μόνο σταδίου επεξεργασίας εξάγει ένα σήμα, το οποίο παρέχει ταυτόχρονα πληροφορία, τόσο τη χρονική στιγμή πυροδότησης ενός νευρώνα όσο και για την ταυτότητα του συγκεκριμένου νευρώνα, διαχωρίζοντάς τον έτσι από τη δραστηριότητα άλλων νευρώνων ή από τις διάφορες πηγές θορύβου.

◼ Υπάρχουν εφαρμογές γι’ αυτό;

Η νέα μεθοδολογία έχει ήδη εφαρμοστεί τόσο σε σήματα προσομοιώσεων όσο και σε πραγματικά σήματα από καταγραφές σε αρουραίους και είχε θεαματικά αποτελέσματα. Η συγκεκριμένη εργασία δημοσιεύτηκε τον περασμένο Δεκέμβριο στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό «Frontiers in Neuroscience». Αξίζει να σημειωθεί ότι η εργασία επιλέχθηκε να προβληθεί στην κεντρική σελίδα του εκδοτικού οίκου Frontiers.org ως προτεινόμενη δημοσίευση (featured article). Σε επόμενο στάδιο σχεδιάζουμε την περαιτέρω εξέλιξη του αλγορίθμου, εισάγοντας νέες τεχνικές κατηγοριοποίησης της δραστηριότητας διαφορετικών νευρώνων, καθώς και την υλοποίησή του σε ασύρματες συσκευές και την πραγματοποίηση επιπλέον πειραμάτων σε αρουραίους και πιθήκους.