Wetenschappers gaan het volledige menselijk brein in kaart brengen met AI en ML van AWS
Neurowetenschappers zijn er al tientallen jaren mee bezig, maar de behandeling van hersenziekten zoals Alzheimer en Parkinson vordert traag. Waarom? De hersenen zijn ons meest complexe orgaan. Ze zijn ook het meest ontoegankelijk om te bestuderen. Datasets die verzameld worden voor hersenonderzoek zijn uitgebreid, maar ongelijksoortig - en ze bestaan vaak niet in een universele wetenschappelijke taal. Tegelijkertijd komen neurologische aandoeningen steeds vaker voor, ook in Nederland. Het RIVM verwacht dat in 2040 ruim 1 miljoen Nederlanders lijden aan (de gevolgen van) Parkinson, dementie en beroertes. Met financiering van de National Institutes of Health (NIH) uit de USA en technologie van Amazon Web Services (AWS), leidt het Allen Institute een initiatief om dit hopelijk te veranderen door een kennisplatform voor de hersenen te bouwen: het Brain Knowledge Platform.
"Ondanks een enorme hoeveelheid investeringen hebben we nog geen oplossingen voor de belangrijkste hersenaandoeningen", zegt Ed Lein, senior onderzoeker aan het Allen Institute for Brain Science in Seattle. "We worden overspoeld met informatie, maar het is niet gecentraliseerd of gesynthetiseerd."
Het werk aan het Brain Knowledge Platform bestaat uit twee onderdelen: één onderdeel, geleid door Ed Lein en een netwerk van neurowetenschappelijke onderzoekers van 17 instituten van over de hele wereld, richt zich op het maken van een nieuwe kaart van de gehele hersenen met cellulaire resolutie. Het andere deel, geleid door Shoaib Mufti, head of data and technology van het Allen Institute, in samenwerking met Amazon Web Services (AWS), bestaat uit het gebruik van deze hersenkaart om de grootste open source database van hersenceldata ter wereld te creëren. Het zal de eerste in zijn soort zijn die enorme datasets over de structuur en functie van hersenen verzamelt en standaardiseert.
Betere diagnose AI
Het uiteindelijke doel van het Allen Institute is om een hulpmiddel te creëren dat betere diagnose en behandeling mogelijk maakt van dit neurologische stoornissen en ziekten, evenals mentale gezondheidsproblemen. "Scheikunde heeft het periodiek systeem. En genomica heeft de menselijke genoomkaart die een transformerende rol heeft gespeeld. Neurowetenschap heeft een vergelijkbare basis nodig, die het platform voor hersenkennis zal helpen creëren," aldus Lein. De focus van het platform is eencellige genomica. Dankzij nieuwe technologieën die de genen meten die in individuele hersencellen worden gebruikt, kunnen onderzoekers nu de complexiteit van de hersencellen en de genen die cellen hun verschillende functies geven, beter begrijpen. Deze zeer gedetailleerde cel-atlassen zullen onderzoekers helpen om de oorsprong van ziekten te begrijpen en uiteindelijk clinici in staat stellen om de oorzaak van ziekten zoals Alzheimer en Parkinson te achterhalen.
“Zodra we met dit kennisplatform afzonderlijke informatie met elkaar beginnen te verbinden, en we gegevens van gezonde hersenen kunnen koppelen aan informatie van zieke hersenen, dan zullen onderzoekers nieuwe ontdekkingen doen die met huidige infrastructuur niet mogelijk zijn.” stelt Shoaib Mufti. Het platform legt ook verbanden tussen hersenonderzoek bij verschillende diersoorten en Lein verwacht dat de kennisgrafiek uiteindelijk informatie zal integreren over de gehele biologie van zoogdieren.
200 miljard hersencellen
Dankzij cloud computing kunnen de gegevens van de ongeveer 200 miljard hersencellen worden opgeslagen, geanalyseerd en gebruikt als een open source tool die uiteindelijk zal worden gebruikt door artsen die behandelingen voor en genezing van hersenziekten zoeken. High performance computing op AWS en Amazon SageMaker helpen het Allen Institute bij het beheren van al deze data en bij het schalen van meerdere workloads. Het instituut gebruikt artificial intelligence (AI) en machine learning (ML) diensten van AWS - en is van plan om in de toekomst generatieve AI te implementeren om grote, complexe multimodale data om te zetten in bruikbare inzichten voor artsen.
"AWS ML stelt onderzoeksorganisaties in staat om nieuwe verbanden en ontdekkingen bloot te leggen met speciaal gebouwde AI-diensten", zegt Allyson Fryhoff, managing director van AWS nonprofit en non-profit health. "Het Allen Institute gebruikt geavanceerde cloudtechnologieën zoals ML om hun bevindingen verder te versnellen op een kosteneffectieve en schaalbare manier. We zijn geïnspireerd door hun werk om nooit eerder vertoonde inzichten over het menselijk brein te ontgrendelen, en we kijken uit naar de vele doorbraken op het gebied van hersenonderzoek die nog gaan komen."
Lein en zijn team zijn nog maar net begonnen met dit vijf jaar durende project om het menselijk brein in kaart te brengen. Het project heeft de potentie om nieuwe deuren te openen - niet alleen in de neurowetenschappen, maar in de hele geneeskunde.
Lees ook: Accenture verhoogt tempo generatieve AI met Microsoft, Google en AWS | WINMAG Pro
Lees ook: Databricks onthult Delta Lake 3.0 met nieuw Universal Format | WINMAG Pro
Lees meer
