Ty to masz mózg! Prace badawcze nad mózgiem na Politechnice Śląskiej. Światowy Tydzień Mózgu każdego roku kieruje uwagę opinii społecznej na tytułowy, niezwykle istotny organ, centrum dowodzenia i „źródło inwencji twórczej”. Badacze z Politechniki Śląskiej patrzą na to zagadnienie wieloobszarowo – nie tyle w kontekście pogłębiania wiedzy o jego działaniu, ale także w zakresie jego znaczenia w innych dziedzinach wiedzy, np. w medycynie i edukacji.
Politechnika Śląska dąży do innowacyjności w zakresie prowadzonych w swoich katedrach badań. Przejawem takiego ukierunkowania było wyodrębnienie w ramach wniosku do konkursu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” priorytetowych obszarów badawczych, które z jednej strony określają potencjał rozwojowy Uczelni, a z drugiej biorą pod uwagę wpływ danej dyscypliny na rozwój cywilizacyjny i technologiczny. Politechnika Śląska zdefiniowała sześć takich obszarów: onkologia obliczeniowa i spersonalizowana medycyna; sztuczna inteligencja i przetwarzanie danych; materiały przyszłości; inteligentne miasta, mobilność przyszłości; automatyzacja procesów i Przemysł 4.0 oraz ochrona klimatu i środowiska, nowoczesna energetyka.
Prowadzone projekty badawcze mają służyć dobru ludzi i środowiska. Nie ulega wątpliwości, że przedmiotem tak rozumianej inicjatywy powinien być również mózg. „Dla człowieka – niezbędny. Konieczny jak wdech do wydechu, narodziny do śmierci i otwarta żabka w niedzielę niehandlową. Zawsze czynny punkt dowodzenia – mózg.” – tak w swoim artykule pisała Aleksandra Front, studentka z Wydziału Automatyki, Elektroniki i Informatyki. Jej zgrabnie ujęte w formie artykułu „Mózg – mały, ale wariat” rozważania zajęły drugie miejsce w ostatniej edycji organizowanego przez Centrum Popularyzacji Nauki Politechniki Śląskiej konkursu „O nauce po ludzku”. Mózg to organ, który nieustannie wzbudza zainteresowanie ludzi. Pojedynczy, a tak cenny, tak konieczny. Na Politechnice Śląskiej prowadzonych jest wiele inicjatyw badawczych, które swoim głównym obiektem i inspiracją uczyniły właśnie mózg.
Co wspólnego mają potencjały elektryczne w mózgu i „czytanie w myślach”
Mgr inż. Krzysztof Kotowski, doktorant na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej zajmuje się projektowaniem algorytmów komputerowego przetwarzania potencjałów elektrycznych generowanych przez aktywność neuronów w mózgu. Szczególną rolę w procesie diagnostyki i pomiaru tej aktywności pełni elektroencefalograf (EEG), czyli nieinwazyjne urządzenie w formie czepka, który po założeniu na głowę pozwala na rejestrację sygnałów elektrycznych poprzez elektrody. Impulsy są następnie poddawane analizie przez algorytm komputerowy, dzięki czemu możliwe jest wyodrębnienie zarówno znanych, jak i zupełnie nowych wzorców aktywności mózgu. Przykładem pierwszego z nich jest potencjał wzbudzony P300 – występujący przy podejmowaniu decyzji, drugiego – sytuacja, gdy komputer samodzielnie zauważa sytuację ludzkiego błędu (o czym mgr inż. K. Kotowski wspólnie z prof. Katarzyną Stąpor pisał w publikacji pokonferencyjnej PP-RAI'2019 Polskiego Porozumienia na Rzecz Rozwoju Sztucznej Inteligencji pt. „Deep learning in EEG: Detection of error-related negativity in Eriksen flanker task”). Zauważenie przez komputer odrębnej ścieżki aktywnościowej jest możliwe dzięki zastosowaniu algorytmów uczenia maszynowego i głębokiego, które bywają kojarzone z zagadnieniem sztucznej inteligencji. Przysłużyć się mogą one nie tylko pogłębieniu informacji o tym, jak działa mózg, ale także wspomóc ludzi w zakresie weryfikacji medycznej, postępowania dochodzeniowego czy komunikacji (w sytuacji, gdy ktoś jest sparaliżowany i nie ma możliwości wyrażenia swoich myśli w inny sposób). „Czytanie w myślach” – fikcyjna, wydawałoby się, umiejętność – może wyrażać się bowiem w zastosowaniu interfejsów na linii mózg-komputer, umożliwiających obsługę sprzętu (np. przesuwanie wskaźnikiem po ekranie) za pośrednictwem myśli.
Zautomatyzowana detekcja anomalii w mózgu
Prof. Franciszek Binczyk z Katedry Inżynierii i Analizy Eksploracyjnej Danych Wydziału Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej jest zaangażowany w badania w kierunku zautomatyzowanej detekcji wszelkiego typu anomalii występujących w ramach ludzkiego mózgu (np. nowotworów, zmian neurodegeneracyjnych oraz mikro krwawień) w oparciu o analizę obrazów magnetycznego rezonansu jądrowego (ang. MRI). Opracowany w ramach prac badawczych algorytm MiMSeg pozwala na wykrycie zmian nowotworowych z dokładnością sięgającą 89% w porównaniu do konsensusu opinii eksperckiej (radiologa). Na jego podstawie wyodrębniono również algorytm FuTURiSt, który umożliwia zautomatyzowaną detekcję rdzenia guza (część aktywna metabolicznie wraz z martwicą) na poziomie 80% w porównaniu do opinii eksperta. Wyniki stanowią istotną pomoc w planowaniu radioterapii i tym samym mogą mieć wpływ na ostateczny wynik leczenia.
Rysunek 1. Przykładowy wynik segmentacji guza mózgu - algorytm MiMSeg. Przykładowa segmentacja: na poziomie 73%, 90% oraz 97%. Kolorami oznaczono wartości: prawdziwie oraz fałszywie dodatnie/ujemne./ mat. archiwum F. Binczyk
Podobne prace zostały poczynione w kierunku wykrywania obszarów odpowiedzialnych za rozwój choroby Alzheimera w grupie pacjentów ze diagnozowaną chorobą Parkinsona, a przedsięwzięcie te zostało wyróżnione nagrodą na III Kongresie Polskiego Towarzystwa Choroby Parkinsona. Innowacyjność spojrzenia wiąże się z zastosowaniem obrazowania MRI zamiast kilkunastokrotnie droższych badań DaTSCAN. W Katedrze prowadzone są również międzynarodowe prace badawcze we współpracy z Uniwersytetem Fudan w Szanghaju. Opracowany algorytm (bazujący na hybrydowej sztucznej sieci neuronowej) pozwala na detekcję mikrkrwawień z bardzo dużą dokładnością przy zachowaniu niewielkiego odsetka wyników fałszywie dodatnich (struktur niezwykle podobnych do mikro krwawień).
Rysunek 2. Przykładowe wynik detekcji mikro krwawień, uzyskany z wykorzystaniem zaproponowanego algorytmu. Obszary zielone: mikro krwawienia, obszary czerwone: wartości fałszywie dodatnie / mat. archiwum F. Binczyk
6 zamiast 60
Obraz rezonansu magnetycznego (MRI) stanowi również pole badawcze dla dr inż. Michała Staniszewskiego z Wydziału Automatyki, Elektroniki i Informatyki. Prowadzone przez niego od kilku lat badania oparte są na analizie, segmentacji i rekonstrukcji obrazów MRI. Podczas stażu naukowego w Tybindze w Niemczech (realizowanego w ramach grantu projakościowego przeznaczonego na wyjazd naukowy do wiodącego ośrodka zagranicznego) pod okiem prof. Uwe Klose powstała nowa metoda rekonstrukcji map T1. – Tego typu badania w odróżnieniu od typowego obrazu MRI dają informację nie tylko jakościową, ale przede wszystkim ilościową. Dzięki odpowiedniej sekwencji, mapę T1 można uzyskać dla pojedynczej warstwy w 6 sekund, natomiast do tej pory proces rekonstrukcji obrazu trwał ponad 60 minut – opowiada dr M. Staniszewski. – Algorytm FIR-MAP opracowany wspólnie z prof. Uwe Klose ten proces skraca do nawet 6 minut dla odpowiedniego modelu. Efekty tej współpracy zostały opublikowane w czasopiśmie Sensors w grudniu 2019 roku. Stanowi to odpowiednią podstawę do rozwoju metody na analizę objętościową (kilkunastu warstw) oraz dalszą optymalizację metody. Pozwoli na uzyskanie kompletnej mapy objętościowej MRI w zaledwie 6 sekund – zaznacza.
Terapia pedagogiczna z elementami neuroedukacji
Zagadnienia dotyczące mózgu nie stanowią wyłącznie osi zainteresowania badawczego wśród pracowników Politechniki Śląskiej, ale znajdują swoje odzwierciedlenie również w ofercie dydaktycznej. W Instytucie Badań nad Edukacją i Komunikacją prowadzone są dwuletnie studia magisterskie Terapia pedagogiczna z elementami neuroedukacji. Student, na bazie posiadanego już przygotowania pedagogicznego i studiów I stopnia, ma sposobność uzyskania kwalifikacji do pracy w charakterze specjalisty terapii pedagogicznej w placówkach edukacyjnych. Uczestnicy kierunku mają możliwość poszerzenia kompetencji do terapii ucznia ze specyficznymi trudnościami w uczeniu się, z zaburzeniami emocji i zachowania, ADHD, zagrożonego niepełnosprawnością czy spektrum autyzmu. Następuje to m.in. z wykorzystaniem współczesnych zdobyczy neuroedukacji takich jak trening biofeedback, metoda Warnkego czy QEEG.
W ramach studiów studenci realizują treści z zakresu inspiracji neurobiologii i neuropsychologii dla współczesnej pedagogiki (jak uczy się mózg), podstaw neuroedukacji, sporów teoretycznych i ich implikacji dla praktyki edukacyjnej oraz digital i post digital learning. Wśród zagadnień pojawiających się w harmonogramie są również: kognitywistyka, przykłady oraz prezentacje ewolucji poglądów w zakresie neurofaktów i neuromitów, a także nowe terapie, a więc m.in. biofeedback, TDC’s, Metoda Warnkego, Play Attention, okulografia, EEG, QEEG, Sensomotoryka i interfejsy mózg – komputer.
Bioelektronika i powłoki ochronne
Jak mówi dr hab. inż. Katarzyna Krukiewicz z Katedry Fizykochemii i Technologii Polimerów na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej: „rozwój elektroniki, inżynierii, biologii i medycyny sprawił, że na ich pograniczu powstała nowa dyscyplina naukowa, bioelektronika”. Dr hab. inż. K. Krukiewicz zajmuje się nowymi materiałami stosowanymi w terapii mózgu. – Urządzenia bioelektroniczne rejestrują sygnały wysyłane przez organizm i „tłumaczą” je na język komputerowy, dzięki czemu mogą służyć do monitorowania zmian stanów fizjologicznych. Urządzenia te są również w stanie regulować funkcje organizmu poprzez sterowaną zewnętrznie stymulację elektryczną. Bioelektronika jest coraz bardziej popularna w medycynie, szczególnie w inżynierii tkanki nerwowej, zalicza się do niej bowiem m.in. implanty ślimakowe czy urządzenia do stymulacji nerwowej stosowane w leczeniu padaczki lub paraliżu, a także urządzenia do głębokiej stymulacji mózgu używane przy leczeniu choroby Parkinsona – opowiada.
Rysunek 3. Polimer przewodzący dekorowany cząstkami złota/ mat. archiwum K. Krukiewicz
Stosowanie implantów może niestety przyczynić się powstania stanów zapalnych i blizn. Swoje badania dr hab. inż. K. Krukiewicz ukierunkowuje zatem na opracowanie nowych, wielofunkcyjnych powłok ochronnych stosowanych w urządzeniach bioelektronicznych mających kontakt z tkanką nerwową. – Do tego celu wykorzystuję polimery przewodzące (tworzywa sztuczne mogące przewodzić prąd elektryczny), które dodatkowo „dekoruję” metalami szlachetnymi, wypełniam lekami lub też wytłaczam na ich powierzchni wzory. W ten sposób uzyskuję materiały, które w znaczny sposób poprawiają właściwości implantów neurologicznych oraz zwiększają skuteczność terapii – wyjaśnia. Badania stanowią element współpracy z naukowcami z National University of Ireland, Galway oraz University College Dublin.