KONEOPPIMINEN JA AIVOTUTKIMUS

Samankaltaiset tiedostot
Mitä aivokuvista näkee?

E. Oja ja H. Mannila Datasta Tietoon: Luku 2

Kognitiivinen psykologia tutkii tiedonkäsittelyä. Neuropsykologia tutkii aivojen ja mielen suhdetta MITEN AIVOT TOIMIVAT?

Tilastotiede ottaa aivoon

TEEMU ROOS (KALVOT MUOKATTU PATRIK HOYERIN LUENTOMATERIAALISTA)

Tilastotiede ottaa aivoon

Magnetoenkefalografia: Laitteisto ja tutkimukset

PredictAD-hanke Kohti tehokkaampaa diagnostiikkaa Alzheimerin taudissa. Jyrki Lötjönen, johtava tutkija VTT

Johdatus tekoälyyn. Luento : Koneoppiminen. Patrik Hoyer. [ Kysykää ja kommentoikaa luennon aikana! ]

Aivotutkimus kielenoppimisen edistäjänä

Tekoäly ja alustatalous. Miten voit hyödyntää niitä omassa liiketoiminnassasi

Luku 2. Datasta tietoon: mitä dataa? mitä tietoa?

Kognitiivinen mallintaminen Neuraalimallinnus, luento 1

Aivotoiminnan mittaaminen magnetoenkefalografialla

Laskut käyvät hermoille

Kognitiivinen mallintaminen. Nelli Salminen

800 Hz Hz Hz

Mitä aivokuvantaminen kertoo kielen kehityksen ja lukemisen erityisvaikeuksista?

Tuotteen oppiminen. Käytettävyyden psykologia syksy T syksy 2004

Moniaistisuus. Moniaistinen havaitseminen. Mitä hyötyä on moniaistisuudesta? Puheen havaitseminen. Auditorisen signaalin ymmärrettävyyden vaikutukset

Tutkimus Auria Biopankissa ja tulevaisuuden visiot Samu Kurki, FT, data-analyytikko

Tällä kerralla ohjelmassa. Kognitiivinen mallintaminen Neuraalimallinnus Kertausta: Perseptronin oppimissääntö

BIOSÄHKÖISET MITTAUKSET

Varhainen tiedekasvatus: yhdessä ihmetellen. FT Jenni Vartiainen

Neuroverkkojen soveltaminen vakuutusdatojen luokitteluun

Tekoäly ja sen soveltaminen yrityksissä. Mika Rantonen

Mitä voidaan tutkia. Aivojen kuvantamisemenetelmistä. Aivojen kuvantamismenetelmät. Aivojen kuvantamismenetelmät eroavat toisistaan

KOHTI TIETOISIA ROBOTTEJA

Robotit ja tekoäly terveydenhuollon työvälineinä nyt ja tulevaisuudessa työn tutkimukseen perustuva näkökulma

Uskomusverkot: Lääketieteelliset sovellukset

Älykäs datan tuonti kuljetusongelman optimoinnissa. Antoine Kalmbach

MITEN AIVOTIETOA VOIDAAN HYÖDYNTÄÄ?

Mitä on taitovalmennus?

KONEOPPIMISEN HYÖDYNTÄMINEN: AUTOMAATTINEN TIKETTIEN KÄSITTELY. Esa Sairanen

Tekoäly tukiäly. Eija Kalliala, Marjatta Ikkala

Muistisairaudet saamelaisväestössä

Kestävä aivotyö aivotyön tuottavuus

Tiedonlouhinta ja sen mahdollisuudet

Hyvinvointia työstä. Virpi Kalakoski. Työterveyslaitos

Poikkeavuuksien havainnointi (palvelinlokeista)

Liikunnan merkitys oppimiselle? Heidi Syväoja, tutkija LIKES tutkimuskeskus, Jyväskylä

Vaikutusten mittaaminen. Hannes Enlund Fimea Lääkehoitojen arviointi

Automatisoituminen, resurssit ja monitehtäväsuoritus

Edistyksen päivät, Helsinki. Voiko tutkija muuttaa maailmaa? Humanistista meta-analyysiä merkitysneuvottelevien koneiden avulla.

Aivojen toiminnalliset muutokset CRPS:ssa. Etiologia ja patofysiologia. Vääristynyt kehonkaava 4/18/2013. Complex regional pain syndrome (CRPS)

Tekoäly muuttaa arvoketjuja

Biopankit miksi ja millä ehdoilla?

Tekoäly ja tietoturva Professori, laitosjohtaja Sasu Tarkoma Tietojenkäsittelytieteen laitos Helsingin yliopisto

Tekoäly liiketoiminnassa. Tuomas Ritola CEO, selko.io

Koneoppimisen hyödyt arvopohjaisessa terveydenhuollossa. Kaiku Health

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

+LISÄTEHTÄVIÄ päättely

YHTEISKUNTA MUUTTUU- KUINKA ME MUUTUMME? Asiaa aivotutkimuksesta ja hahmottamisesta

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Taitava taitoharjoittelu kehittymisen tukena Sami Kalaja

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Tekoäly tänään , Vadim Kulikov (Helsingin Yliopisto)

Aktiivinen elämäntapa ja terveellinen ruokavalio oppimisen tukena

Neuropsykologian erikoispsykologikoulutus

Ennakoiva analytiikka liiketoiminnassa

IMPEDANSSITOMOGRAFIA AIVOVERENVUODON DIAGNOSOINNISSA - TARVE UUDELLE TEKNOLOGIALLE

Ongelma(t): Miten digitaalista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida? Miten monimutkaista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida?

Kognitiivinen mallintaminen Neuraalimallinnus 11.3.

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

HOIDA AIVOJASI. Minna Huotilainen. Helsingin yliopisto. Kasvatustieteen professori. 14/03/2019 1

Hyvinvointia työstä. Työterveyslaitos

Viikko 1: Johdantoa Matti Kääriäinen

Tiedonlouhinta rakenteisista dokumenteista (seminaarityö)

1. OHJAAMATON OPPIMINEN JA KLUSTEROINTI

Psykoosisairauksien tuomat neuropsykologiset haasteet

Aistit. Kaisa Tiippana Havaintopsykologian yliopistonlehtori. Luento Aistit ja kommunikaatio-kurssilla 12.9.

Muuttaako teknologia aivojen tapaa käsitellä tietoa? Teknologia 2013 Tervetuloa vuoteen 2020

Tekoäly ja koneoppiminen metsävaratiedon apuna

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Kuulohavainnon perusteet

Data-analyysi tieteenalana Professori, laitosjohtaja Sasu Tarkoma Tietojenkäsittelytieteen laitos Helsingin yliopisto

S Havaitseminen ja toiminta

64 kanavainen EEG ja herätevasteet Kirsi Palmu, erikoistuva fyysikko HUSLAB, KNF

Kahdet aivot ja psyykkinen trauma

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Matkapuhelinten terveysvaikutukset: Mitä epidemiologiset tutkimukset kertovat? Prof. Anssi Auvinen Tampereen yliopisto Säteilyturvakeskus

Virikkeitä laadukkaaseen varhaiskasvatukseen aivotutkimuksesta Markku Penttonen, Jyväskylän Yliopisto

Christina M. Krause Mielenkiinnon kohteet:

Klaara-työpaja. Miten selkokieltä puhutaan? Sari Karjalainen

Potilasesite Robottitekniikkaan perustuvaa tarkkuussädehoitoa Kuopiossa

JUHTA ja VAHTI juhlatilaisuus, Tietojärjestelmien tulevaisuudesta tekoälyn kehityksen näkökulmasta. Timo Honkela.

Dynaamiset regressiomallit

Ruokavalion henkilökohtaiset vaikutukset esiin data-analytiikalla

Customer Intelligence ja Big Data. Digile D2I Kimmo Valtonen

Vaihtelu virkistää taidon oppimisessa - Kisakallion taitokongressin antia. Kuntotestauspäivät Sami Kalaja

MALLIT VESIJÄRJESTELMIEN TUTKIMUKSESSA

RAMBOLL WATER TEKOÄLYN HYÖDYNTÄMINEN JÄTEVEDENPUHDISTAMON OPEROINNISSA

1. OHJAAMATON OPPIMINEN JA KLUSTEROINTI

Impedanssitomografia-peli

BI4 IHMISEN BIOLOGIA

TUTKIMUSAINEISTON ANALYYSI. LTKY012 Timo Törmäkangas

Korkean resoluution ja suuren kuva-alueen SAR

Miten löytää heikot signaalit hoitotyön kirjauksista?

Kognitiivinen mallintaminen. Nelli Salminen

Transkriptio:

JY & KSSHP TIEDEPÄIVÄ 1. 11. 2017 KONEOPPIMINEN JA AIVOTUTKIMUS Simo Monto, yliopistotutkija, Monitieteinen aivotutkimuskeskus, JY

IHMISAIVOT ~ 1011 hermosolua eli neuronia! harmaa aine = hermosolujen keskukset valkea aine = tuoja- ja viejähaarakkeet alueiden toiminnallinen erikoistuminen tiiviit yhteydet alueiden välillä

MEG ELI MAGNETOENKEFALOGRAFIA mittaa sähkökemiallisen aivotoiminnan tuottamia magneettikenttiä => hermosolujoukkojen paikallinen aktivaatio näytteenottotaajuus > 1000 Hz => reaaliaikainen kypärämäinen 306-kanavainen anturisto => koko aivokuoren laajuinen kuvaus pään ulkopuolinen mittaus => haitaton, sopii kaikille Elekta oy

AIVOJEN JA KONEOPPIMISEN YHTEYKSISTÄ Koneoppimismenetelmät ovat inspiroituneet aivoista aivojen suoriutuvat hämmästyttävän hyvin monista vaikeista asioista (esim. nopea kategorisointi, hajautettu analyysi, iso muistikapasiteetti, systeemiohjaus) - Neuroverkot / Deep learning, Kohosen itseorganisoituva kartta Toisaalta aivojen algoritmien hiljalleen avautuessa voi huomata, että biologia käyttää samoja menetelmiä kuin mitä koneoppimiseen on kehitetty (virhepropagaatio, kilpailu, ) Itseorganisoituva kartta on tehokas esimerkiksi monimutkaisen datan esittämisessä / klusteroinnissa Sekä laskennalliset että todelliset neuroverkot rakentuvat useissa eri kerroksissa olevista soluryhmistä Näköaivokuoren solut ovat herkistyneet samoille piirteille kuin harvaan koodaukseen perustuvat algoritmit [Olshausen, Nature 1996]

KONEOPPIMINEN AIVOTUTKIMUKSESSA - käytetty jo melko varhain, mutta vasta viime vuosina läpimurto - datan kasvava määrä - uusien menetelmien sensitiivisyys ja spesifisyys - ohjelmistojen ja laskennan kapasiteetti - painottunut ohjattuun oppimiseen - usein selvitetään aivojen tilaa, kun käyttäytyminen tai ympäristö tunnetaan - ärsykkeiden representaatio - muistin toiminta - toiminnan ohjaus - käytetään myös aivotoiminnan häiriöiden ja sairauksien diagnosointiin

ALZHEIMERIN DEMENTIAN VARHAINEN TUNNISTAMINEN yleisesti: computer-aided diagnosis / prediction = kuvantaminen / mittaaminen + koneoppimismenetelmät AD ennustaminen aivokuvista ehkä kuumin aihe tällä hetkellä - verraten edullinen, nopea, haitaton luokittelija opetettiin tunnistamaan AD rakennekuvista (n=67) testaus riippumattomalla otoksella (n=148): potilaita, terveitä ja MCIpotilaita ( mild cognitive impairment ; osa myöhemmin AD) tarkkuus > 80 %, jopa niillä joilla sairaus alkoi vuosia myöhemmin toisessa tutkimuksessa tarkkuus 66 % eroteltaessa MCI-potilaista ne, jotka myöhemmin sairastuvat AD yksittäistä sairastumista ennustavaa muutosta vaikea löytää, mutta laajasti yhdistetyt heikot signaalit pystyvät siihen, ilman vahvaa hypoteesia!

ALZHEIMERIN DEMENTIAN VARHAINEN TUNNISTAMINEN Salvatore et al., Front Neurosci 2015

ALZHEIMERIN DEMENTIAN VARHAINEN TUNNISTAMINEN AD MEG kansainvälinen monikeskustutkimus 100 potilasta + verrokit kone oppii luokittelun: terve vs. MCI perustuen MEG-lepomittauksista tehtyihin konnektiivisuusestimaatteihin (ei pelkkä aktivaation voimakkuus) sensitiivisyys=0.9, spesifisyys=0.7 => vaikuttaisi näkyvän vahvasti aivoverkostoissa ilman erityistä tehtävää! Gross et al., PNAS 2002

AIVO-TIETOKONELIITTYMÄ Tulkitaan potilaan aikeita aivotoiminnan perusteella Kliininen / terapeuttinen tavoite, tutkimushyöty: potilaalle uusi käyttöliittymä maailmaan, jos alkuperäinen rikki kuntoutusmahdollisuuksia esim. aivohalvauksen jälkeen opitaan ymmärtämään esim. kuinka aivot ohjaavat käsiä laajasti eri koneoppimismenetelmiä käytössä; SVM, CSP, random forest, Bayesian, Robottikäden otetta ohjaavan MEGkäyttöliittymän oppima aivoverkosto [Fukuma et al., Plos One 2015]

AIVO-TIETOKONELIITTYMÄ Aivohalvauksesta kuntoutumisessa kuvitellut liikkeet apuna: aivoista mitatut signaalit ohjataan luokittelijalle luokittelija laskee miten kättä yritettiin liikuttaa visuaalinen palaute auttaa potilasta säätämään aivotoimintaa Foldes et al., J Neuroeng Rehabil 2015

ÄRSYKKEEN TIETOINEN HAVAITSEMINEN tässä tapauksessa tietoinen havainto = raportoitu havainto lyhytkestoiset näköärsykkeet, havainto p=50% tehtävät: raportoi i) sijainti ii) näitkö kohteen? vakioidaan kaikki muu paitsi havainto! tavoite: mikä aivoissa ratkaisee tietoisen havainnon? [Salti, Monto et al., elife 2015] Heikkoa pistemäistä välähdystä (33 ms) seurasi maski, joka vaikeutti havaitsemista.

raportoitu sijainti ÄRSYKKEEN TIETOINEN HAVAITSEMINEN koehenkilöt tekivät tehtävää, samanaikaisesti aivotoimintaa mitattiin MEG:llä käyttäytymistason tulokset: 1. tietoinen havainto, oikea vastaus 2. oikea vastaus ilman tietoista havaintoa ( blindsight ) 3. väärä vastaus, tietoinen havainto 4. väärä vastaus ilman tietoista havaintoa Nähdyt kohteet Ei-nähdyt kohteet todellinen sijainti

ÄRSYKKEEN TIETOINEN HAVAITSEMINEN onko MEG-datassa informaatiota ärsykkeestä kuinka tietoinen prosessointi eroaa ei-tietoisesta? koneoppiminen: multi-class probabilistic support vector machine (SVM) Koneoppimisalgoritmin ennustama paikka 150 ms 430 ms todellinen paikka 0,175 SVM-p 0,125 (=arvaus) 0,1

ÄRSYKKEEN TIETOINEN HAVAITSEMINEN 1) aivosignaali sisältää aina tietoa ärsykkeen sijainnista 2) tietoiseen havaintoon liittyvät signaalit sisältävät parempaa informaatiota musta: nähty ärsyke, oikea vastaus vihreä: ei havaintoa, oikea vastaus

KUINKA AIVOT SÄILÖVÄT TYÖMUISTIN SISÄLLÖN? edellä käsiteltiin välitöntä aivovastetta näköärsykkeelle työmuisti: kyky muistaa ja manipuloida aistihavaintoja vielä niiden esittämisen jälkeenkin kuinka aivot prosessoivat off-line aineistoa? tyypillinen koeasetelma: esitetään tietoa, ja hetken päästä kysytään siitä jotain voidaanko aivomittauksilla nähdä, missä informaatio piileskelee silloin kun se ei ole näkyvissä?

KUINKA AIVOT SÄILÖVÄT TYÖMUISTIN SISÄLLÖN? nähtävästi voidaan Polania et al., J Cogn Neurosci 2011

HAVAITSEMINEN JA ENNUSTAMINEN havaintojärjestelmä toimii paitsi aistien tuottaman informaation myös aivojen tuottamien ennusteiden varassa voidaanko aivotoiminnasta etsiä havaintojärjestelmän muodostamia arvauksia tulevista ärsykkeistä? ei oikeastaan tiedetä, mitä pitäisi etsiä mutta silti koneoppimismenetelmillä voidaan nähdä aivojen tekemien arvausten kaikuja Kok et al., PNAS 2017

CIBR VISIO 2020 kehitetään huipputason aivomittausympäristöä kliiniset tarpeet huomioiden yhteistyössä eri käyttäjäryhmien kanssa: yliopisto, sairaalat, JAMK, yksityiset toimijat laaja normiaineisto (tietokanta) tutkijoiden käyttöön kehittyneet menetelmät merkityksellisen tiedon louhintaan aivomittauksista osallistuminen biopankkitoimintaan