Scientists use machine intelligence to accelerate brain mapping technique
أظهرت دراسة أجراها معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا OIST استخدامًا جديدًا للتكنولوجيا لتسريع تقنية رسم خرائط الدماغ.
في بحث حديث نُشر في Scientific Reports، استخدم الباحثون هذه التقنية لفك تشابك أسلاك الدماغ البشري لفهم التغييرات التي تصاحب الاضطرابات العصبية أو العقلية مثل مرض باركنسون أو الزهايمر بشكل أفضل.
قال البروفيسور Kenji Doya، الذي يقود وحدة الحساب العصبي في معهد أوكيناوا للخريجين بجامعة العلوم والتكنولوجيا OIST، إن "الشبكة العصبية" للدماغ ضرورية لفهم الدماغ بشكل كامل وجميع العمليات المعقدة التي يقوم بها قبل الوصول إلى استنتاج.
لتحديد الشبكات العصبية، يتتبع الباحثون ألياف الخلايا العصبية التي تمتد في جميع أنحاء الدماغ. في التجارب على الحيوانات، يمكن للعلماء حقن متتبع الفلورسنت في نقاط متعددة في الدماغ وصورة حيث تمتد الألياف العصبية التي تنشأ من هذه النقاط. وأوضح البروفيسور Doya أن "هذه العملية تتطلب تحليل مئات شرائح الدماغ من العديد من الحيوانات. ولأنها غازية للغاية، فلا يمكن استخدامها في البشر".
ومع ذلك، فإن التطورات في التصوير بالرنين المغناطيسي MRI جعلت من الممكن تقدير الشبكات العصبية غير الجراحية. تستخدم هذه التقنية، التي تسمى تتبع الألياف القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي، مجالات مغناطيسية قوية لتتبع الإشارات من جزيئات الماء أثناء تحركها أو انتشارها على طول الألياف العصبية. ثم تستخدم خوارزمية الكمبيوتر إشارات الماء هذه لتقدير مسار الألياف العصبية في جميع أنحاء الدماغ، ولكن في الوقت الحالي، لا تنتج الخوارزميات نتائج مقنعة.
قال الدكتور Carlos Gutierrez، المؤلف الأول وباحث ما بعد الدكتوراه في وحدة الحسابات العصبية OIST، "يمكن أن تهيمن الشبكات العصبية الخاطئة على الإيجابيات الكاذبة، مما يعني أنها تُظهر اتصالات عصبية ليست موجودة بالفعل"
علاوة على ذلك، تكافح الخوارزميات لاكتشاف الألياف العصبية التي تمتد بين المناطق النائية من الدماغ. قال الدكتور Gutierrez: "إن هذه الاتصالات بعيدة المدى هي من أهم الأمور لفهم كيفية عمل الدماغ".
في عام 2013 ، أطلق العلماء مشروعًا تقوده الحكومة اليابانية يسمى Brain / MINDS (رسم خرائط الدماغ من خلال التقنيات العصبية المتكاملة لدراسات الأمراض) لرسم خرائط لأدمغة حيوانات القردة الصغيرة من الرئيسيات غير البشرية التي تمتلك أدمغتها بنية مشابهة للعقول البشرية.
قال الدكتور Gutierrez: "يهدف مشروع Brain / MINDS إلى إنشاء شبكة كاملة لدماغ القرد باستخدام تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي غير الغازية وتقنية التتبع الفلوريسنت الغازية. من خلال هاتين التقنيتين وتحديد المعلمات التي يجب ضبطها لتوليد الشبكة العصبية الأكثر دقة القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي".
في الدراسة الحالية، شرع الباحثون في ضبط معلمات خوارزميتين مختلفتين مستخدمة على نطاق واسع حتى يتمكنوا من اكتشاف الألياف بعيدة المدى بشكل موثوق. لقد أرادوا أيضًا التأكد من أن الخوارزميات حددت أكبر عدد ممكن من الألياف مع تحديد الحد الأدنى من الألياف التي لم تكن موجودة بالفعل ، بمساعدة ذكاء الآلة.
لتحديد أفضل المعايير، استخدم الباحثون خوارزمية تطورية. قدرت خوارزمية تتبع الألياف الشبكة العصبية من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي للانتشار باستخدام المعلمات التي تغيرت أو تحورت في كل جيل متتالي. تنافست هذه المعلمات مع بعضها البعض ومع أفضل المعلمات ، تلك التي ولّدت الشبكات العصبية التي تتطابق بشكل وثيق مع الشبكة العصبية التي اكتشفها متتبع الفلورسنت- تقدمت إلى الجيل التالي.
اختبر الباحثون الخوارزميات باستخدام متتبع الفلورسنت وبيانات التصوير بالرنين المغناطيسي من عشرة أدمغة مختلفة من القرد، وهو ما لم يكن سهلاً ، وفقًا لهم.
خلال الأجيال المتعددة لعملية "البقاء للأصلح survival-of-the-fittest" هذه، قامت الخوارزميات التي تعمل لكل دماغ بتبادل أفضل معاييرها مع بعضها البعض، مما يسمح للخوارزميات بالاستقرار على مجموعة متشابهة من المعلمات. في نهاية العملية، أخذ الباحثون أفضل المعايير ووضعوا متوسطها لإنشاء مجموعة مشتركة واحدة.
وجد الفريق أن الخوارزمية التي تحتوي على مجموعة عامة من المعلمات المحسّنة قد ولّدت أيضًا شبكة اتصال أكثر دقة في أدمغة مارموسيت الجديدة التي لم تكن جزءًا من مجموعة التدريب الأصلية، مقارنةً بالمعلمات الافتراضية المستخدمة سابقًا.
قال الباحثون إن الاختلاف المذهل بين الصور التي تم إنشاؤها بواسطة الخوارزميات باستخدام المعلمات الافتراضية والمحسّنة يرسل تحذيرًا صارخًا حول أبحاث الشبكة العصبية القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي.
في المستقبل، يأمل العلماء في إجراء عملية استخدام الذكاء الآلي لتحديد أفضل المعلمات بشكل أسرع واستخدام الخوارزمية المحسّنة لتحديد الشبكة العصبية للأدمغة المصابة باضطرابات عصبية أو عقلية بشكل أكثر دقة.
في بحث حديث نُشر في Scientific Reports، استخدم الباحثون هذه التقنية لفك تشابك أسلاك الدماغ البشري لفهم التغييرات التي تصاحب الاضطرابات العصبية أو العقلية مثل مرض باركنسون أو الزهايمر بشكل أفضل.
قال البروفيسور Kenji Doya، الذي يقود وحدة الحساب العصبي في معهد أوكيناوا للخريجين بجامعة العلوم والتكنولوجيا OIST، إن "الشبكة العصبية" للدماغ ضرورية لفهم الدماغ بشكل كامل وجميع العمليات المعقدة التي يقوم بها قبل الوصول إلى استنتاج.
لتحديد الشبكات العصبية، يتتبع الباحثون ألياف الخلايا العصبية التي تمتد في جميع أنحاء الدماغ. في التجارب على الحيوانات، يمكن للعلماء حقن متتبع الفلورسنت في نقاط متعددة في الدماغ وصورة حيث تمتد الألياف العصبية التي تنشأ من هذه النقاط. وأوضح البروفيسور Doya أن "هذه العملية تتطلب تحليل مئات شرائح الدماغ من العديد من الحيوانات. ولأنها غازية للغاية، فلا يمكن استخدامها في البشر".
ومع ذلك، فإن التطورات في التصوير بالرنين المغناطيسي MRI جعلت من الممكن تقدير الشبكات العصبية غير الجراحية. تستخدم هذه التقنية، التي تسمى تتبع الألياف القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي، مجالات مغناطيسية قوية لتتبع الإشارات من جزيئات الماء أثناء تحركها أو انتشارها على طول الألياف العصبية. ثم تستخدم خوارزمية الكمبيوتر إشارات الماء هذه لتقدير مسار الألياف العصبية في جميع أنحاء الدماغ، ولكن في الوقت الحالي، لا تنتج الخوارزميات نتائج مقنعة.
قال الدكتور Carlos Gutierrez، المؤلف الأول وباحث ما بعد الدكتوراه في وحدة الحسابات العصبية OIST، "يمكن أن تهيمن الشبكات العصبية الخاطئة على الإيجابيات الكاذبة، مما يعني أنها تُظهر اتصالات عصبية ليست موجودة بالفعل"
علاوة على ذلك، تكافح الخوارزميات لاكتشاف الألياف العصبية التي تمتد بين المناطق النائية من الدماغ. قال الدكتور Gutierrez: "إن هذه الاتصالات بعيدة المدى هي من أهم الأمور لفهم كيفية عمل الدماغ".
في عام 2013 ، أطلق العلماء مشروعًا تقوده الحكومة اليابانية يسمى Brain / MINDS (رسم خرائط الدماغ من خلال التقنيات العصبية المتكاملة لدراسات الأمراض) لرسم خرائط لأدمغة حيوانات القردة الصغيرة من الرئيسيات غير البشرية التي تمتلك أدمغتها بنية مشابهة للعقول البشرية.
قال الدكتور Gutierrez: "يهدف مشروع Brain / MINDS إلى إنشاء شبكة كاملة لدماغ القرد باستخدام تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي غير الغازية وتقنية التتبع الفلوريسنت الغازية. من خلال هاتين التقنيتين وتحديد المعلمات التي يجب ضبطها لتوليد الشبكة العصبية الأكثر دقة القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي".
في الدراسة الحالية، شرع الباحثون في ضبط معلمات خوارزميتين مختلفتين مستخدمة على نطاق واسع حتى يتمكنوا من اكتشاف الألياف بعيدة المدى بشكل موثوق. لقد أرادوا أيضًا التأكد من أن الخوارزميات حددت أكبر عدد ممكن من الألياف مع تحديد الحد الأدنى من الألياف التي لم تكن موجودة بالفعل ، بمساعدة ذكاء الآلة.
لتحديد أفضل المعايير، استخدم الباحثون خوارزمية تطورية. قدرت خوارزمية تتبع الألياف الشبكة العصبية من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي للانتشار باستخدام المعلمات التي تغيرت أو تحورت في كل جيل متتالي. تنافست هذه المعلمات مع بعضها البعض ومع أفضل المعلمات ، تلك التي ولّدت الشبكات العصبية التي تتطابق بشكل وثيق مع الشبكة العصبية التي اكتشفها متتبع الفلورسنت- تقدمت إلى الجيل التالي.
اختبر الباحثون الخوارزميات باستخدام متتبع الفلورسنت وبيانات التصوير بالرنين المغناطيسي من عشرة أدمغة مختلفة من القرد، وهو ما لم يكن سهلاً ، وفقًا لهم.
خلال الأجيال المتعددة لعملية "البقاء للأصلح survival-of-the-fittest" هذه، قامت الخوارزميات التي تعمل لكل دماغ بتبادل أفضل معاييرها مع بعضها البعض، مما يسمح للخوارزميات بالاستقرار على مجموعة متشابهة من المعلمات. في نهاية العملية، أخذ الباحثون أفضل المعايير ووضعوا متوسطها لإنشاء مجموعة مشتركة واحدة.
وجد الفريق أن الخوارزمية التي تحتوي على مجموعة عامة من المعلمات المحسّنة قد ولّدت أيضًا شبكة اتصال أكثر دقة في أدمغة مارموسيت الجديدة التي لم تكن جزءًا من مجموعة التدريب الأصلية، مقارنةً بالمعلمات الافتراضية المستخدمة سابقًا.
قال الباحثون إن الاختلاف المذهل بين الصور التي تم إنشاؤها بواسطة الخوارزميات باستخدام المعلمات الافتراضية والمحسّنة يرسل تحذيرًا صارخًا حول أبحاث الشبكة العصبية القائمة على التصوير بالرنين المغناطيسي.
في المستقبل، يأمل العلماء في إجراء عملية استخدام الذكاء الآلي لتحديد أفضل المعلمات بشكل أسرع واستخدام الخوارزمية المحسّنة لتحديد الشبكة العصبية للأدمغة المصابة باضطرابات عصبية أو عقلية بشكل أكثر دقة.
قال الدكتور Gutierrez: "في النهاية، يمكن استخدام تتبع الألياف القائم على التصوير بالرنين المغناطيسي لرسم خريطة للدماغ البشري بالكامل وتحديد الاختلافات بين الأدمغة السليمة والمريضة. وهذا يمكن أن يقربنا خطوة واحدة من تعلم كيفية علاج هذه الاضطرابات".
