Sztuczna inteligencja w profilaktyce otępienia

Badacze z UMK oraz RIKEN AIP w Tokio pracują nad stworzeniem cyfrowych neuro-biomarkerów, dzięki czemu będzie można przewidzieć wczesne oznaki łagodnych zaburzeń poznawczych już u osób w wieku średnim.

Dr Tomasz Komendziński. Fot. Andrzej Romański / UMK

• Wczesna diagnostyka oraz profilaktyka umożliwiają zatrzymanie lub opóźnienie objawów otępienia
• Personalizacja interwencji kognitywnych jest bardzo ważna dla efektywnej promocji zmian stylu życia
• Im wcześniej i efektywniej zaczniemy działać, tym mamy większe szanse na wzmocnienie rezerwy poznawczej i mózgowej oraz poprawę dobrostanu

Badacze z Wydziału Filozofii i Nauk Społecznych Uniwersytetu Mikołaja Kopernika od blisko 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. 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 blisko 3 tys. naukowców w siedmiu kampusach współpracujących z prawie 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 naszego wspólnego pilotażowego projektu badawczego już 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.

Ku społecznemu dobru

– Nasze badania dotyczą wczesnej diagnostyki otępienia i śledzenia interwencji kognitywnych, niefarmakologicznych, zapobiegających rozwojowi otępień starczych. Prowadzimy je pod hasłem AI for social good, czyli praktycznego zastosowania „Sztucznej inteligencji dla dobra społecznego” – tłumaczą dr Tomasz Komendziński oraz dr Tomasz M. Rutkowski.

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 neuro-biomarkerów, 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 – wyjaśnia dr Komendziński. – 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 mamy większe szanse na wzmocnienie naszej rezerwy poznawczej i mózgowej oraz poprawę naszego dobrostanu.

Badania mózgu

W trakcie pilotażowego projektu w Japonii przebadano przed pandemią 35 seniorów, a w ubiegłym roku kolejne 30 ochotników i ochotniczek na uniwersytecie w Toruniu.

– Po stronie polskiej w badania zaangażowali się seniorzy z toruńskiej Kamienicy Inicjatyw, nawiązaliśmy także współpracę z Krajowym Instytutem Gospodarki Senioralnej oraz z Toruńskim Uniwersytetem Trzeciego Wieku – mówi dr Komendziński. – Po stronie japońskiej było więcej przeszkód – obowiązują tam jeszcze różnego rodzaju obostrzenia związane z COVID-19, dlatego osobiste spotkania z seniorami nie były łatwe do zorganizowania. Mimo to udało się.

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 – mówi dr Rutkowski. – W ramach dokładania kolejnych modalności chcemy rozpocząć badania z użyciem zapachów.

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: 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 – zależy nam, aby technologią, która rozwijamy, była możliwa do wykorzystania w domowych warunkach – wyjaśnia 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 neuro-biomarkery występują w EEG – tak, jak robimy to dzisiaj, mierząc temperaturę czy ciśnienie – dodaje dr Rutkowski. – Wierzymy, że badania te mogą być wówczas bardziej wiarygodne.

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 włączonych do realizacji wspólnych projektów na zaproszenie partnera japońskiego.

W ramach współpracy naukowcy z obu ośrodków planują zorganizować w ostatnim tygodniu września 2023 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 problematyki bardzo istotnej dla wielu grup badawczych w RIKEN AIP.

Więcej o wynikach oraz o tym, jak do tej pory przebiegała współpraca polsko-japońska: