Wyjaśnialna AI we wczesnym wykrywaniu chorób mózgu
Czy subtelne wzorce w funkcjach poznawczych, sposobie chodzenia, mimice, ruchach oczu i obrazowaniu mózgu mogą ujawnić chorobę Parkinsona oraz chorobę Alzheimera, zanim objawy staną się wyraźne? Wczesne wykrywanie ma znaczenie, ponieważ widoczne objawy często pojawiają się dopiero po latach ukrytych uszkodzeń. Kiedy standardowa diagnostyka pozwala już rozpoznać chorobę, część kluczowych komórek mózgu może być bezpowrotnie utracona. Wcześniejsze wychwycenie sygnałów pomaga monitorować stan pacjenta, podejmować decyzje terapeutyczne i planować interwencje, które mogą wpłynąć na dalszy przebieg choroby.
Artur Chudzik jest inżynierem AI i badaczem rozwijającym wyjaśnialną sztuczną inteligencję na potrzeby wczesnego wykrywania choroby Parkinsona i choroby Alzheimera. W swojej pracy przekształca subtelne wzorce w funkcjach poznawczych, sposobie chodzenia, mimice, ruchach oczu i obrazowaniu mózgu w interpretowalne biomarkery cyfrowe, które pomagają monitorować chorobę i wspierać decyzje terapeutyczne. Uzyskał doktorat z informatyki w Polsko-Japońskiej Akademii Technik Komputerowych i jest członkiem grupy badawczej Digital Biomarkers in Neurodegenerative Diseases. Ma także ponad dekadę doświadczenia w inżynierii oprogramowania i stosowanej AI, dzięki czemu potrafi przekładać pomysły badawcze na rozwiązania użyteczne w praktyce.
W mojej pracy zadaję proste pytanie: czy możemy wykrywać choroby neurodegeneracyjne wcześniej, ucząc się z subtelnych wzorców w zachowaniu, funkcjach poznawczych i mózgu?
Choroby neurodegeneracyjne to schorzenia mózgu, w których komórki nerwowe stopniowo tracą funkcję i obumierają. Czas ma znaczenie, ponieważ widoczne objawy ruchowe w chorobie Parkinsona często pojawiają się dopiero wtedy, gdy wiele neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej już obumarło. W chorobie Alzheimera szkodliwe zmiany w mózgu mogą zaczynać się dekady przed rozpoznaniem otępienia. Proces chorobowy może więc trwać długo, zanim dostępne dane staną się wystarczająco jasne, by działać z pełnym przekonaniem. Wczesne sygnały mogą pomagać klinicystom monitorować ryzyko, wybierać interwencje i dostosowywać leczenie, zanim przebieg choroby stanie się trudniejszy do zmiany.
Wyzwanie metodologiczne polega nie tylko na klasyfikacji choroby, ale też na tym, by wyjaśnić, z jakich przesłanek wynika predykcja. Dlatego ta praca łączy obrazowanie mózgu, internetowe testy poznawcze, śledzenie ruchu gałek ocznych, analizę ruchu, analizę ekspresji twarzy i inne biomarkery cyfrowe z interpretowalnymi metodami uczenia maszynowego.
Co zmienia się, zanim choroba stanie się widoczna klinicznie? Wzorce poznawcze, związane z chodem, obrazowaniem, ruchami oczu i mimiką mogą nieść wczesne oznaki zmian neurologicznych.
Sama predykcja nie wystarcza, jeśli nie wiadomo, skąd się wzięła. Modele muszą być na tyle zrozumiałe, by badacze i klinicyści mogli je sprawdzać, podważać i świadomie interpretować.
Biomarkery cyfrowe mają znaczenie wtedy, gdy łączą pomiar z mechanizmem choroby: co dany sygnał mówi o chorobie Parkinsona, chorobie Alzheimera i zaburzeniach pokrewnych?
Te prace łączy jeden problem: dane dotyczące chorób mózgu wymagają metod obliczeniowych, które są trafne, wiarygodne, wyjaśnialne i sprawdzone na złożonych sygnałach zbieranych w rzeczywistych warunkach. Powracające pytanie brzmi, jak subtelne dane biomedyczne mogą stać się interpretowalnym dowodem na potrzeby wczesnego wykrywania i monitorowania chorób neurodegeneracyjnych.
Przegląd pokazujący, jak internetowe testy poznawcze, śledzenie ruchu oczu, dane o ruchu i inne biomarkery cyfrowe mogą wspierać wykrywanie wczesnych stadiów choroby Parkinsona i choroby Alzheimera za pomocą AI.
Wykorzystuje obrazy MRI T1 oraz interpretowalne cechy wyznaczane metodami uczenia maszynowego, oparte na objętościach regionów mózgu i relacjach przestrzennych, aby odróżniać osoby zdrowe, przypadki prodromalne i chorobę Parkinsona.
Pokazuje, jak zadania związane z ruchami oczu można analizować metodami uczenia maszynowego, aby lepiej rozumieć mechanizmy choroby Parkinsona i choroby Alzheimera.
Pokazuje, że dynamika czasu odpowiedzi w internetowym teście MoCA może poprawić klasyfikację choroby Parkinsona względem osób zdrowych.
Wykorzystuje internetową wersję Trail Making Test, aby pokazać, jak miary czasowe mogą uchwycić zmiany poznawcze i ruchowe powiązane z nasileniem choroby Parkinsona.
Porównuje osoby zdrowe i pacjentów z chorobą Parkinsona z wykorzystaniem internetowych zadań neuropsychologicznych, aby wychwycić subtelne zmiany poznawcze i behawioralne.
Porządkuje podejścia uczenia maszynowego stosowane do zbiorów danych dotyczących choroby Parkinsona, w tym obrazowania tensora dyfuzji, śledzenia ruchu oczu i internetowych testów poznawczych.
Wskazuje, że profilaktyka choroby Alzheimera wymaga uchwycenia początku neurodegeneracji dekady przed klinicznie widocznymi objawami.
Łączy śledzenie ruchu oczu i testy neuropsychologiczne, aby przewidywać progresję objawów w chorobie Parkinsona.
Porównuje modele oparte na zbiorach przybliżonych i inne metody eksploracji danych do przewidywania progresji choroby Parkinsona w różnych grupach pacjentów.
Wykorzystuje obrazowanie tensora dyfuzji i metody eksploracji danych do szacowania rozwoju objawów po głębokiej stymulacji mózgu.
Wykorzystuje biomarkery przestrzenne pochodzące z MRI w modelu regułowym, aby w zrozumiały sposób klasyfikować nasilenie choroby Parkinsona.
Analizuje wczesne ryzyko demencji z użyciem wyjaśnialnej AI, wyników testów poznawczych i markerów genetycznych.
Analizuje stabilność chodu rejestrowanego markerowo z wykorzystaniem dynamiki nieliniowej jako potencjalny sygnał przesiewowy w chorobach neurodegeneracyjnych.
Pytania o mózg prowadzą w końcu do pytań o świadomość, czas i fizyczną strukturę świata, która umożliwia doświadczenie. Czym jest czas? Dlaczego wydaje się mieć kierunek? Czym jest przestrzeń, jaki był początek wszechświata i dlaczego istnieje raczej coś niż nic? W tych rozważaniach teoretycznych obliczenia pomagają przekładać takie pytania na modele, które można konfrontować z mierzalną strukturą rzeczywistości.
Sprawdza, czy stała kosmologiczna jest konieczna, testując prostszą relację między czasem kosmicznym a ekspansją względem obserwacji wielkoskalowych.
Publikacje, kod, profile akademickie i dane kontaktowe są zebrane poniżej.