Επισκεφθήκαμε το μοναδικό εργαστήριο στην Ελλάδα που διερευνά την αναγνώριση αντικειμένων από τον εγκέφαλο, εφαρμόζοντας συμπεριφορική εκπαίδευση με ταυτόχρονη παρακολούθηση μεγάλου αριθμού νευρώνων.
Το ραντεβού μου με τον Επίκουρο Καθηγητή στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης και ερευνητή στο Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), Εμμανουήλ Φρουδαράκη συνέπεσε με την ημέρα που η εταιρεία εγκεφαλικών εμφυτευμάτων Neuralink του Έλον Μάσκ έλαβε άδεια από τον αρμόδιο ρυθμιστικό φορέα των ΗΠΑ για τη διενέργεια της πρώτης κλινικής δοκιμής σε ανθρώπους.
Η Neuralink, χαρακτήρισε αυτή την εξέλιξη ως «ένα σημαντικό βήμα, που θα επιτρέψει μια μέρα στην τεχνολογία της να βοηθήσει πολλούς ανθρώπους». Και σε αυτό δε διαφωνεί ο Έλληνας επιστήμονας. Οι διεπαφές εγκέφαλου–υπολογιστή προσφέρουν τη δυνατότητα διαχείρισης σοβαρών νόσων, παρότι μελέτες εκφράζουν φόβους ότι η νέα αυτή τεχνολογία μπορεί να επηρεάσει το μυαλό μας με περίεργους και ανησυχητικούς τρόπους.
«Θα μπορούσα να σκεφτώ κάποιο τρομακτικό σενάριο», σχολιάζει ο ίδιος καθισμένος μέσα στο γραφείο του και συνεχίζει: «Για παράδειγμα σε έναν πόλεμο αντί να έχουμε πιλότους να κοιτάζουν σε μια οθόνη, να έχουμε “τσιπαρισμένους” στον εγκέφαλο χειριστές που να τους στέλνουμε απευθείας πληροφορίες. Ταυτόχρονα όμως θα βελτιώνονταν η ποιότητα της ζωής ενός μεγάλου αριθμού ανθρώπων, επανακτώντας με τα εγκεφαλικά εμφυτεύματα μια αίσθηση ή κίνηση που μπορεί να έχουν χάσει. Έτσι το θέμα δεν είναι να σταματήσουμε τα πειράματα επειδή φοβόμαστε την εταιρεία του Μασκ και κάθε εταιρεία που προχωράει σε τέτοιου είδους εφαρμογές, ίσα-ίσα, τότε είναι που πρέπει να εντείνουμε την έρευνα για να μην αφήνουμε χώρο σε παρόμοιες εταιρείες με ιδιωτικά συμφέροντα. Πιστεύω πως η γνώση που εξάγεται από την έρευνα, θα πρέπει να μεταφέρεται στην κοινωνία έτσι ώστε να εκπαιδευόμαστε όλοι μαζί στη σωστή χρήση της».
Αποκωδικοποίηση της συνεχούς ροής εικόνων
Το ερευνητικό αντικείμενο του καθηγητή Φρουδαράκη είναι οι υπολογισμοί στον εγκέφαλο. Ο ίδιος διαθέτοντας μια πολύχρονη εμπειρία στην απεικόνιση της εγκεφαλικής δραστηριότητας, επικεντρώνεται τώρα στους νευρωνικούς μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για την αναγνώριση αντικειμένων. Και επί του παρόντος, η μεθοδολογία που αναπτύσσει μέσα στο εργαστήριό του στο ΙΤΕ είναι μοναδική στην Ελλάδα, αλλά και σε ολόκληρη την Ευρώπη.
Γι’ αυτό εξάλλου επιλέχθηκε για χρηματοδότηση από το ιδιαίτερα ανταγωνιστικό πρόγραμμα του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας “ERC Starting Grant”. Τα ERC Starting Grants χορηγούνται σε ταλαντούχους νέους επιστήμονες, οι οποίοι έχουν ήδη παραγάγει εξαιρετικό έργο και έχουν τη δυνατότητα να ηγηθούν στο επιστημονικό τους πεδίο. Ο κ. Εμμανουήλ Φρουδαράκης είναι ένας από αυτούς και θα λάβει χρηματοδότηση ύψους 1,9 εκατομμυρίων ευρώ για πέντε έτη.
Ο ίδιος μού λέει πως η αναγνώριση αντικειμένων αποτελεί ένα θεμελιώδες ερώτημα, στο οποίο ακόμη και η τεχνητή νοημοσύνη δυσκολεύεται να απαντήσει. Επιτυγχάνεται αβίαστα και σε κλάσματα του δευτερολέπτου, ανεξάρτητα από την τεράστια διακύμανση των αισθητηριακών πληροφοριών που φτάνουν στον αμφιβληστροειδή.
«Παρά τη σημαντική πρόοδο στον χαρακτηρισμό της οπτικής επεξεργασίας τις τελευταίες δεκαετίες, ακόμη δεν έχουμε κατανοήσει πλήρως πώς ο εγκέφαλος αναπαριστά αντικείμενα μέσω της δραστηριότητας νευρώνων, με τρόπο που δεν επηρεάζεται από την πολυπλοκότητα στην εμφάνιση των αντικειμένων που συναντάμε στη καθημερινότητά μας. Η κατανόηση του αλγορίθμου που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για να εκτελέσει αυτό το πολύπλοκο έργο θα αποτελέσει μια σημαντική κατάκτηση για τις Νευροεπιστήμες, καθώς θα μπορέσει να χρησιμοποιηθεί ως ένα ισχυρό πλαίσιο για να την κατανόηση των υπολογισμών του εγκεφάλου γενικότερα», λέει ο καθηγητής Φρουδαράκης.
Όπως εξηγεί, ο τρόπος που ο εγκέφαλος αποκωδικοποιεί τη συνεχή ροή εικόνων που λαμβάνει και που καταφέρνει μέσα από τους υπολογισμούς του να εξάγει χρήσιμες πληροφορίες από το εξωτερικό περιβάλλον είναι αρκετά πολύπλοκος. Έτσι, για να κατανοήσουν οι επιστήμονες τους υπολογισμούς του εγκεφάλου είναι απαραίτητη μια τεχνική με την οποία θα μπορούν να καταγράψουν τη δραστηριότητα από χιλιάδες νευρώνες, από ένα μεγάλο μέρος του εγκεφάλου.
Εκπαιδεύοντας ποντίκια
Ο Έλληνας ερευνητής μού εξηγεί πως ο εγκέφαλος διατηρεί μια ιεραρχία κατά την επεξεργασία της πληροφορίας. Από την ώρα που η πληροφορία, ενός αντικειμένου εν προκειμένω, περάσει από τα μάτια, μεταβιβάζεται από νευρώνα σε νευρώνα και από το ένα τμήμα του εγκεφάλου στο άλλο και υφίσταται σταδιακή επεξεργασία, η οποία σε ένα βαθμό είναι αφαιρετική αφού ένα μεγάλο μέρος της οπτικής πληροφορίας είναι περιττό.
Οι οκτώ μέχρι στιγμής ερευνητές του εργαστηρίου, για να αποκωδικοποιήσουν αυτή τη διαδικασία εκπαιδεύουν ποντίκια στο να αναγνωρίζουν αντικείμενα και καταγράφουν την εγκεφαλική τους δραστηριότητα. «Το ποντίκι αποτελεί ένα σημαντικό μοντέλο μελέτης του εγκεφάλου καθώς υπάρχουν ανεπτυγμένες τεχνικές για την καταγραφή αλλά και τον έλεγχο της νευρικής δραστηριότητας. Όμως μέχρι πρότινος δεν υπήρχε η δυνατότητα εκπαίδευσης σε πιο πολύπλοκα συμπεριφορικά πειράματα που είναι απαραίτητα για την μελέτη ανώτερων λειτουργιών», λέει ο κ. Φρουδαράκης.
Έτσι οι ερευνητές του εργαστηρίου έφτιαξαν ένα αυτοματοποιημένο σύστημα εκπαίδευσης με οθόνη και ειδικές θύρες που λειτουργεί ως εξής: τοποθετούν το ζώο στο κλουβί του και του αφαιρούν το νερό. Αναλόγως με την εικόνα που προβάλλουν στην οθόνη και με τα πειράματα που θέλουν να κάνουν, εκπαιδεύουν το ποντίκι να αναγνωρίζει αντικείμενα και να λαμβάνει νερό ως ανταμοιβή. Για παράδειγμα μπορεί να εκπαιδευτεί να αναγνωρίζει ένα αντικείμενο στην οθόνη και στη συνέχεια ενώ εμφανίζονται δύο, να πηγαίνει στη θύρα όπου βλέπει το πρώτο αντικείμενο από όπου και απελευθερώνεται νερό για να ξεδιψάσει.
«Είναι σημαντικό να τονίσω εδώ ότι τα ποντίκια δεν δυστυχούν. Εκ των πραγμάτων δεν μπορείς να κάνεις συμπεριφορικά πειράματα με πειραματόζωα που δεν είναι χαρούμενα, αφού οι υπολογισμοί του εγκεφάλου αντικατοπτρίζουν τη συμπεριφορά του οργανισμού. Δεν θα δούμε την επεξεργασία που επιθυμούμε αν τα ποντίκια είναι στρεσαρισμένα. Εμείς καταγράφουμε την εγκεφαλική δραστηριότητα και με συγκεκριμένους αλγόριθμους αποκωδικοποιούμε αντικείμενα για διαφορετικούς πληθυσμούς, βλέποντας και τον διαχωρισμό της επεξεργασίας ανά εγκεφαλική περιοχή», διευκρινίζει ο Έλληνας ερευνητής, δείχνοντάς μου ταυτόχρονα τον χώρο όπου βρίσκονται περίπου 20 πειραματόζωα.
Ο ίδιος μού εξηγεί ότι στην αρχή του πειράματος δεν γνώριζαν ποιες ήταν οι ώρες που τα πειραματόζωα ήταν πιο δραστήρια. Με τον καιρό διαπίστωσαν ότι η καλύτερη ώρα είναι το πρωί, αλλά επειδή πρόκειται για νυκτόβιους οργανισμούς, οι ερευνητές τους έχουν αλλάξει τον φωτισμό.
Αξίζει να σημειωθεί πως αυτή τη στιγμή δεν υπάρχει άλλο εργαστήριο στην Ελλάδα που να διερευνά την αναγνώριση αντικειμένων από τον εγκέφαλο με αυτόν τον τρόπο, δηλαδή εφαρμόζοντας τη συμπεριφορική εκπαίδευση και ταυτόχρονα τις τεχνικές παρακολούθησης μεγάλου αριθμού νευρώνων.
Εκπαίδευση σε εικονικό περιβάλλον
Ο καθηγητής Φρουδαράκης έχει ήδη παραγγείλει ένα ειδικό μικροσκόπιο για τη μελέτη της δραστηριότητας πολυάριθμων νευρώνων προκειμένου να προχωρήσει την έρευνά του. Ωστόσο, η χρήση του συγκεκριμένου μικροσκοπίου απαιτεί τα ποντίκια να είναι ακινητοποιημένα στο κεφάλι, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να «τρέξει» το υπάρχον σύστημα συμπεριφορικής εκπαίδευσης.
Για αυτό μαζί με την ερευνητική του ομάδα έχουν ξεκινήσει τη κατασκευή μιας διάταξης όπου τα ποντίκια βρίσκονται ακινητοποιημένα στο κεφάλι πάνω σε μια μπάλα, η οποία μεταφράζει την κίνηση του ποντικού μέσα σε ένα δισδιάστατο εικονικό χώρο. Μέσα σε αυτό τον εικονικό περιβάλλον προχωρούν τη διαδικασία ένα ακόμη βήμα παραπέρα χρησιμοποιώντας μυρωδιές. Για να οριοθετήσουν τον εικονικό χώρο τοποθετούν σε διάφορα σημεία του πηγές οσμών και έτσι τα ποντίκια μπορούν να γνωρίζουν πού βρίσκονται μέσα στον χώρο ανάλογα με τις σχετικές συγκεντρώσεις αυτών των οσμών. Τα πειραματόζωα χρησιμοποιούν οσμές για να κινούνται σε ένα περιβάλλον. Μέσα σε αυτόν τον χώρο μπορούν να τοποθετηθούν εικονικά αντικείμενα τα οποία θα πρέπει να αναγνωρίσουν.
«Ένα επιπλέον ερώτημα που προσπαθούμε να απαντήσουμε είναι το πώς συνδυάζουν την πληροφορία από διαφορετικές αισθήσεις για να σχηματίσουν την ιδέα διαφορετικών αντικειμένων. Ουσιαστικά δουλεύουμε πάνω στο κομμάτι των συνειρμών. Για παράδειγμα, πώς αν κάποιος μυρίσει ένα τριαντάφυλλο σχηματίζει την εικόνα του; Έτσι έχουμε ποντίκια που μαθαίνουν να συνδυάζουν την εικόνα με τη μυρωδιά και μετά έχουμε ποντίκια που μυρίζουν μόνο και σχηματίζουν την εικόνα στον εγκέφαλό τους. Εμείς μπορούμε να δούμε πως και πού σχηματίζεται η εικόνα», περιγράφει ο κ. Φρουδαράκης, προσθέτοντας πως υπάρχουν συγκεκριμένα σημεία μέσα στον εγκέφαλο, κατά τη διάρκεια της ιεραρχικής επεξεργασίας της πληροφορίας, όπου σχηματίζονται οι αναπαραστάσεις των αντικειμένων όπως τις συναντάμε και στον κροταφικό φλοιό του ανθρώπου.
Λίγα λόγια για τον Εμμανουήλ Φρουδαράκη
Ο Εμμανουήλ Φρουδαράκης σπούδασε Βιολογία στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών και συνέχισε τις σπουδές του στις Νευροεπιστήμες στο πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης στην Ολλανδία και στο Baylor College of Medicine στο Χιούστον των ΗΠΑ, από όπου έλαβε και το διδακτορικό του το 2015 μελετώντας τις νευρωνικές αναπαραστάσεις των στατιστικών φυσικών εικόνων. Πραγματοποίησε μεταδιδακτορικές σπουδές και εργάστηκε ως καθηγητής Νευροεπιστημών στο Baylor College of Medicine. Από το 2019 είναι επικεφαλής ομάδας στο IMBB-FORTH και το εργαστήριό του διερευνά πώς τα κυκλώματα του φλοιού σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν νευρωνικές αναπαραστάσεις που μπορούν να καθοδηγήσουν τη συμπεριφορά. Το 2022 ο κ. Φρουδαράκης εξελέγη Επίκουρος Καθηγητής Νευροφυσιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης. Το έργο του έχει δημοσιευτεί σε κορυφαία ερευνητικά περιοδικά στον τομέα των Νευροεπιστημών, όπως, Nature, Science, Cell, Nature Neuroscience, Neuron και Nature Communications.
