Een AI-model voor de hersenen komt naar de intensive care

De Cleveland Clinic werkt samen met de in San Francisco gevestigde startup Piramidal om een grootschalig AI-model te ontwikkelen dat gebruikt zal worden om de hersengezondheid van patiënten op intensive care-afdelingen te monitoren.

In plaats van te trainen op tekst, is het systeem gebaseerd op elektro-encefalogram (EEG)-gegevens, die worden verzameld via elektroden op de hoofdhuid en vervolgens door een computer worden uitgelezen in de vorm van golvende lijnen. Een EEG registreert de elektrische activiteit van de hersenen en veranderingen in deze activiteit kunnen wijzen op een probleem. Op de intensive care scannen artsen EEG-gegevens op zoek naar tekenen van epileptische aanvallen, bewustzijnsveranderingen of een afname van de hersenfunctie.

Momenteel vertrouwen artsen op continue EEG-monitoring om abnormale hersenactiviteit bij een IC-patiënt te detecteren, maar ze kunnen niet elke patiënt in realtime monitoren. In plaats daarvan worden EEG-rapporten meestal elke 12 of 24 uur gegenereerd en vervolgens geanalyseerd om te bepalen of een patiënt een neurologisch probleem heeft. Het handmatig bekijken van de hersengolfgegevens van een dag kan twee tot vier uur duren.

"Dit soort dingen zijn tijdrovend. Het is subjectief en afhankelijk van ervaring en expertise", zegt Imad Najm, neuroloog en directeur van het Epilepsiecentrum van het Neurologisch Instituut van de Cleveland Clinic.

Het systeem dat de Cleveland Clinic en Piramidal ontwikkelen, is ontworpen om continue stromen EEG-gegevens te interpreteren en afwijkingen binnen enkele seconden te signaleren, zodat artsen sneller kunnen ingrijpen.

"Ons model vervult die rol door patiënten op de intensive care continu te monitoren en de artsen in realtime te laten weten wat er met de patiënt gebeurt en hoe hun hersengezondheid zich ontwikkelt", aldus Kris Pahuja, Chief Product Officer van Piramidal.

Pahuja en CEO Dimitris Fotis Sakellariou richtten Piramidal in 2023 op met als doel een fundamenteel model voor de hersenen te bouwen: een AI-systeem dat neurale signalen van verschillende mensen breed kan lezen en interpreteren. Daarvoor werkte Sakellariou 15 jaar als neuro-ingenieur en AI-wetenschapper en deed hij EEG-onderzoek. Pahuja werkte aan productstrategie bij Google en Spotify. Hun startup, die wordt gesteund door Y Combinator, haalde vorig jaar $ 6 miljoen aan startkapitaal op.

Het bedrijf bouwde zijn IC-hersenmodel met behulp van openbaar beschikbare EEG-datasets, evenals eigen EEG-gegevens van de Cleveland Clinic en andere partners. Sakellariou zegt dat het model bijna een miljoen uur aan EEG-monitoringdata van "tienduizenden" patiënten bevat, zowel neurologisch gezond als ongezond. Hersenactiviteitspatronen variëren enorm van persoon tot persoon, dus het bouwen van een hersenmodel vereist enorme hoeveelheden data om gemeenschappelijke patronen en kenmerken vast te leggen.

"Het mooie van een foundationmodel is dat ChatGPT op dezelfde manier tekst kan generaliseren, het zich kan aanpassen aan jouw toon, het zich kan aanpassen aan jouw manier van schrijven. Ons model kan zich aanpassen aan de hersenen van verschillende mensen", aldus Sakellariou.

Momenteel gebruiken de Cleveland Clinic en het Piramidal-team retrospectieve patiëntgegevens om het model te verfijnen. In de komende zes tot acht maanden willen ze het model testen in een streng gecontroleerde IC-omgeving met live patiëntgegevens en een beperkt aantal bedden en artsen. Daarna willen ze de software langzaam uitrollen naar de gehele IC. Uiteindelijk zal de software het ziekenhuissysteem in staat stellen om honderden patiënten tegelijk te monitoren, aldus Najm.

De langzame uitrol moet het aantal foutpositieve en foutnegatieve uitslagen verminderen – gevallen waarin het systeem patiënten die geen ernstige gebeurtenis hebben verkeerd identificeert of iemand die dat wel heeft, over het hoofd ziet. Vooral dat laatste scenario is "een groot probleem dat ons 's nachts wakker houdt", zegt Najm.

Piramidal gaf geen commentaar op de huidige nauwkeurigheid van het model, maar zei dat het de technologie heeft geëvalueerd met behulp van een netwerk van artsen en dat het "menselijke" prestaties heeft bereikt. Het bedrijf is van plan om in de toekomst gegevens over de nauwkeurigheid van het model te publiceren.

Hoewel Piramidal zich in eerste instantie richt op de toepassing van zijn hersenfundamentmodel op de intensive care, willen Sakellariou en Pahuja het ook gebruiken voor epilepsie- en slaapmonitoring. Ondertussen ontwikkelt hersen-computerinterfacebedrijf Synchron een hersenfundamentmodel met gegevens van proefpersonen om het systeem nauwkeuriger en generaliseerbaarder te maken voor meer gebruikers. Er zijn ook consumententoepassingen van hersenfundamentmodellen, zoals het gebruik van EEG-oordopjes om emotionele toestanden te meten. Zowel medische als consumententoepassingen roepen vragen op over hoe hersendata gebruikt en opgeslagen zullen worden, en hoe en wanneer deze gebruikt zouden moeten worden.

"Vooruitgang zoals deze onderstreept de noodzaak van anticiperende ethische kaders die een verantwoorde ontwikkeling en gebruik van deze technologieën ondersteunen", aldus Caroline Montojo, president en CEO van de Dana Foundation, een particuliere filantropische organisatie die zich toelegt op neurowetenschappelijk onderzoek. "Het is cruciaal om in de vroege stadia van het ontwerp van technologie veel verschillende perspectieven uit verschillende disciplines te betrekken, waaronder ethici, sociale wetenschappers en juristen, evenals de ervaringen van patiënten."