Η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να συμβάλει στην αντιμετώπιση μιας σημαντικής πρόκλησης στην αποκατάσταση της όρασης σε ανθρώπους που έχουν χάσει την όρασή τους: να δημιουργεί ένα εγκεφαλικό εμφύτευμα σταθερές και προβλέψιμες οπτικές εμπειρίες. Ερευνητές από τρία ιδρύματα, μεταξύ των οποίων το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα (UC Santa Barbara), έδειξαν ότι η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να βελτιώσει την ακρίβεια με την οποία μια πειραματική οπτική πρόθεση διεγείρει τον εγκέφαλο και να προβλέψει καλύτερα τι αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα βαθιάς μάθησης για να αναπτύξει μοτίβα ηλεκτρικής διέγερσης για ηλεκτρόδια που είχαν τοποθετηθεί προσωρινά στον οπτικό φλοιό, την περιοχή στο πίσω μέρος του εγκεφάλου που επεξεργάζεται τις οπτικές πληροφορίες. Αναλύοντας τις αντιδράσεις του εγκεφάλου, η τεχνολογία έδωσε στους ερευνητές μεγαλύτερο έλεγχο της νευρωνικής δραστηριότητας και τους βοήθησε να προβλέπουν καλύτερα τις οπτικές αισθήσεις που προκαλούσε το εμφύτευμα.
Η μελέτη απόδειξης της ιδέας δημοσιεύθηκε διαδικτυακά στο περιοδικό Neuron και αποτελεί ένα βήμα προς πιο εξελιγμένες οπτικές προθέσεις, που συχνά αποκαλούνται «βιονικά μάτια». Στο μέλλον, αυτές οι συσκευές θα μπορούσαν να γίνουν αποτελεσματικότερες μαθαίνοντας πώς ανταποκρίνεται ο εγκέφαλος κάθε ανθρώπου στη διέγερση, αντί να βασίζονται σε προκαθορισμένες ρυθμίσεις.
«Άλλο είναι να δημιουργείς ένα μοντέλο στη θεωρία», δήλωσε ο Michael Beyeler, αναπληρωτής καθηγητής πληροφορικής και ψυχολογικών και εγκεφαλικών επιστημών στο UC Santa Barbara. «Και άλλο να βλέπεις το μοντέλο να καθοδηγεί ένα πείραμα με έναν άνθρωπο. Η δυνατότητα να περνάμε από τη θεωρία σε κάτι που μπορεί μια μέρα να βοηθήσει ανθρώπους είναι αυτό που κινητοποιεί μεγάλο μέρος της δουλειάς στο εργαστήριό μας».
Πώς η βιονική όραση μπορεί να παρακάμψει τα κατεστραμμένα μάτια
Εδώ και δεκαετίες, οι επιστήμονες αναπτύσσουν τεχνολογίες που θα μπορούσαν να αποκαταστήσουν μέρος της όρασης σε ανθρώπους που έχουν χάσει την όρασή τους, αν και μέχρι σήμερα τα αποτελέσματα είναι γενικά περιορισμένα. Ορισμένες πειραματικές συσκευές διεγείρουν τον αμφιβληστροειδή, τον ιστό στο πίσω μέρος του ματιού που ανιχνεύει το φως. Άλλες επιχειρούν να ενεργοποιήσουν σημεία πιο πέρα στην οπτική οδό, η οποία μεταφέρει τις πληροφορίες από τα μάτια στον εγκέφαλο.
Οι οπτικές προθέσεις του φλοιού λειτουργούν διαφορετικά: στέλνουν ηλεκτρικά σήματα απευθείας στον οπτικό φλοιό, χωρίς να εξαρτώνται από τα μάτια ή τα οπτικά νεύρα. Η προσέγγιση αυτή ενδέχεται να αποτελέσει λύση για ανθρώπους των οποίων οι οπτικές οδοί έχουν υποστεί βλάβη, αλλά ο οπτικός φλοιός εξακολουθεί να μπορεί να ανταποκριθεί στη διέγερση. Πιθανοί υποψήφιοι είναι άνθρωποι που έχασαν την όρασή τους εξαιτίας εγκεφαλικού επεισοδίου, νευροεκφυλιστικής νόσου ή τραυματικής εγκεφαλικής κάκωσης.
Ακόμη και η περιορισμένη ανάκτηση της όρασης θα μπορούσε να έχει ιδιαίτερη σημασία για όσους θυμούνται πώς ήταν να βλέπουν.
Ο Beyeler αναφέρθηκε σε ανθρώπους «που μπορούσαν να βλέπουν για ένα μέρος της ζωής τους, αλλά στη συνέχεια έχασαν την όρασή τους εξαιτίας κληρονομικής οφθαλμικής νόσου ή ατυχήματος», προσθέτοντας: «Για αυτούς τους ανθρώπους, η επιθυμία να ανακτήσουν μέρος της όρασής τους μπορεί να είναι πολύ έντονη».
Τα νέα ευρήματα βασίζονται σε προηγούμενη υπολογιστική έρευνα που υποστηρίχθηκε από το βραβείο NIH Director’s New Innovator Award του 2022, το οποίο έλαβε ο Beyeler από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ (NIH). Η πενταετής χρηματοδότηση, ύψους 2 εκατομμυρίων δολαρίων, έχει στηρίξει τις προσπάθειές του να κάνει τα συστήματα τεχνητής όρασης πιο ακριβή, προβλέψιμα και αποτελεσματικά.
Δοκιμή τεχνητής νοημοσύνης με εγκεφαλικό εμφύτευμα σε άνθρωπο που έχει χάσει την όρασή του
Μια σημαντική ευκαιρία για τη δοκιμή της τεχνολογίας προέκυψε το 2024, όταν ερευνητές από το Bionic Vision Lab του Beyeler ταξίδεψαν στην Ισπανία. Στόχος τους ήταν να διαπιστώσουν αν τα υπολογιστικά μοντέλα τους μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση ενός εγκεφαλικού εμφυτεύματος που χρησιμοποιούνταν ήδη σε πειραματική μελέτη.
Στο Hospital IMED Elche, η ομάδα συνεργάστηκε με έναν 27χρονο άνδρα που είχε χάσει την όρασή του μετά από τραυματική εγκεφαλική κάκωση. Είχε λάβει εμφύτευμα με 96 ηλεκτρόδια, τοποθετημένα σε διάταξη στον οπτικό φλοιό. Η συσκευή προοριζόταν να παραμείνει στη θέση της για έξι μήνες και στη συνέχεια να αφαιρεθεί.
Όταν οι ερευνητές ενεργοποιούσαν τα ηλεκτρόδια με ηλεκτρικό ρεύμα, ο συμμετέχων βίωνε οπτικές αισθήσεις που ονομάζονται φωσφαίνια. Μπορεί να εμφανίζονται ως κηλίδες, λάμψεις ή σχήματα φωτός, που μερικές φορές θυμίζουν αστέρια ή πυροτεχνήματα.
Η πρόκληση αυτών των αισθήσεων είναι εφικτή, αλλά πολύ δυσκολότερο είναι να γίνουν σταθερές και προβλέψιμες. Η ίδια ηλεκτρική διέγερση δεν προκαλεί πάντοτε την ίδια αντίδραση, ενώ η ενεργοποίηση συγκεκριμένων ηλεκτροδίων δεν εγγυάται ότι ο άνθρωπος θα αντιληφθεί ένα συγκεκριμένο οπτικό μοτίβο.
Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές εκπαίδευσαν ένα βαθύ νευρωνικό δίκτυο, έναν τύπο τεχνητής νοημοσύνης που αναγνωρίζει σύνθετα μοτίβα, ώστε να προβλέπει πώς θα ανταποκρινόταν ο οπτικός φλοιός σε διαφορετικές ρυθμίσεις ηλεκτρικής διέγερσης. Το μοντέλο λάμβανε επίσης υπόψη τη δραστηριότητα του εγκεφάλου σε κατάσταση ηρεμίας αμέσως πριν από τη διέγερση, ώστε να υπολογίζει την εκάστοτε νευρωνική του κατάσταση.
Με βάση τις προβλέψεις αυτές, οι ερευνητές εντόπισαν συνδυασμούς ηλεκτρικών σημάτων που ήταν πιθανότερο να δημιουργήσουν συγκεκριμένα μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας.
Η τεχνητή νοημοσύνη βελτιώνει την ακρίβεια της βιονικής όρασης
Όταν οι επιστήμονες δοκίμασαν τα μοτίβα διέγερσης που επέλεξε η τεχνητή νοημοσύνη, τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά. Η νέα προσέγγιση παρήγαγε τα επιθυμητά μοτίβα νευρωνικής δραστηριότητας με μεγαλύτερη ακρίβεια από τις μεθόδους σύγκρισης και απαιτούσε λιγότερο ηλεκτρικό ρεύμα.
Ένα ακόμη σημαντικό εύρημα προέκυψε όταν η ομάδα εξέτασε τη σχέση ανάμεσα στην εγκεφαλική δραστηριότητα και τις οπτικές εμπειρίες του συμμετέχοντα. Τα μοτίβα που καταγράφονταν απευθείας από τον εγκέφαλό του προέβλεπαν καλύτερα τι αντιλαμβανόταν από ό,τι οι ρυθμίσεις της διέγερσης από μόνες τους.
Η διάκριση αυτή έχει σημασία, επειδή η ενεργοποίηση του εγκεφάλου δεν ισοδυναμεί με το να γνωρίζουμε τι θα δει ένας άνθρωπος. Ακόμη κι όταν οι ερευνητές μπορούν να προκαλέσουν την επιθυμητή νευρωνική απόκριση, πρέπει να κατανοήσουν πώς ο εγκέφαλος μετατρέπει αυτή τη δραστηριότητα σε συνειδητή οπτική εμπειρία.
«Οι μηχανικοί φυσιολογικά θέλουν να αντιμετωπίζουν τα φωσφαίνια σαν εικονοστοιχεία: αν διεγείρεις περισσότερα ηλεκτρόδια, θα πρέπει να σχηματίσεις μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα», δήλωσε ο Beyeler. «Όμως ο εγκέφαλος δεν λειτουργεί έτσι. Τα ηλεκτρόδια αλληλεπιδρούν, οι νευρωνικές αποκρίσεις παρουσιάζουν διακυμάνσεις και αυτό που εισάγουμε στον εγκέφαλο δεν είναι απαραίτητα αυτό που αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος. Η πρόκληση είναι να κατανοήσουμε καλύτερα αυτή τη μετατροπή».
Τα ευρήματα δείχνουν ότι οι μελλοντικές οπτικές προθέσεις ενδέχεται να χρειάζεται να κάνουν περισσότερα από το να στέλνουν ηλεκτρικά σήματα: να παρακολουθούν την αντίδραση του εγκεφάλου και να αξιοποιούν αυτή την ανατροφοδότηση για να βελτιώνουν διαρκώς τη διέγερση.
Εγκεφαλικά εμφυτεύματα που προσαρμόζονται στον κάθε άνθρωπο
Ένα βασικό πλεονέκτημα του εμφυτεύματος που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα ήταν ότι μπορούσε να εκτελεί δύο λειτουργίες: να διεγείρει τον οπτικό φλοιό με ηλεκτρικό ρεύμα και ταυτόχρονα να καταγράφει τη νευρωνική δραστηριότητα που προέκυπτε.
Έτσι, οι ερευνητές εκπαίδευσαν το μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης με βάση τις πραγματικές αντιδράσεις του εγκεφάλου, αντί να βασίζονται αποκλειστικά στις πληροφορίες για το ποια ηλεκτρόδια ενεργοποιήθηκαν και πόσο ρεύμα διοχετεύθηκε.
Ο συμμετέχων έδωσε επίσης πληροφορίες για όσα βίωνε. Ανέφερε αν έβλεπε φωσφαίνιο και, σε ορισμένα πειράματα, περιέγραψε την εμφάνισή του, όπως το σχήμα, το μέγεθος, τη φωτεινότητα και το χρώμα.
Η σύγκριση των περιγραφών του με την καταγεγραμμένη εγκεφαλική δραστηριότητα έδειξε ότι οι νευρωνικές αποκρίσεις περιείχαν περισσότερες χρήσιμες πληροφορίες για τις οπτικές αισθήσεις που αντιλαμβανόταν από ό,τι οι παράμετροι της ηλεκτρικής διέγερσης από μόνες τους.
Το σύστημα τεχνητής νοημοσύνης αξιοποιούσε επίσης μετρήσεις της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε ηρεμία, ώστε να λαμβάνει υπόψη τις αλλαγές στη νευρωνική κατάσταση πριν από κάθε διέγερση. Αυτό μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμο, καθώς η απόκριση του εγκεφάλου στα ηλεκτρικά σήματα μπορεί να μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, ακόμη και από τη μία ημέρα στην άλλη.
Προσαρμόζοντας τη διέγερση σε αυτές τις μεταβολές, οι μελλοντικές προθέσεις ενδέχεται να προσφέρουν πιο σταθερές οπτικές εμπειρίες, χωρίς οι χρήστες να χρειάζεται να προσαρμοστούν σε ένα άκαμπτο σύνολο σημάτων.
«Μια χρήσιμη οπτική πρόθεση δεν μπορεί να βασίζεται σε μια σταθερή συνταγή», δήλωσε ο Beyeler. «Πρέπει να μαθαίνει πώς ανταποκρίνεται ο εγκέφαλος κάθε ανθρώπου και να προσαρμόζει ανάλογα τη διέγερση. Τελικά, η συσκευή πρέπει να προσαρμόζεται στον άνθρωπο και όχι το αντίστροφο».
Συνεργασία για την αποκατάσταση της όρασης
Στην έρευνα συνεργάστηκαν επιστήμονες από το UC Santa Barbara, το ETH Zurich και το Πανεπιστήμιο Miguel Hernández (MHU). Ο Beyeler περιέγραψε την προσπάθεια ως «μια πραγματική συνεργασία».
Επικεφαλής της μελέτης ήταν οι συν-πρώτοι συγγραφείς Pehuén Moure από το ETH Zurich, Jacob Granley από το UC Santa Barbara και Fabrizio Grani από το MHU. Την επίβλεψη είχαν ο Beyeler, ο Shih-Chii Liu από το ETH Zurich και ο Eduardo Fernández από το MHU. Η εργασία τους αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης δοκιμής σκοπιμότητας που διεξάγεται στην Ισπανία.
Η τεχνολογία παραμένει πειραματική και οι οπτικές εμπειρίες του συμμετέχοντα περιορίζονταν σε λάμψεις και σχήματα φωτός. Ωστόσο, τα αποτελέσματα δείχνουν πώς η τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσε να βελτιώσει την επικοινωνία ανάμεσα στις συσκευές τεχνητής όρασης και τον εγκέφαλο.
Αντί να θεωρούν ότι όλοι οι εγκέφαλοι ανταποκρίνονται με τον ίδιο τρόπο, τα μελλοντικά συστήματα βιονικής όρασης θα μπορούσαν να μαθαίνουν από κάθε άνθρωπο και να προσαρμόζουν ανάλογα τα σήματά τους. Αυτή η εξατομικευμένη προσέγγιση ενδέχεται να είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη εμφυτευμάτων που θα μπορούν τελικά να αποκαταστήσουν χρήσιμη όραση σε ανθρώπους που την έχουν χάσει.
Το άρθρο στο ygeiax.gr: https://www.ygeiax.gr/news/techniti-noimosyni-pos-mporei-na-kanei-ta-emfyteymata-egkefaloy-pio-apotelesmatika-gia-tin-orasi/29468
