Εγκεφαλική Λειτουργία και η Επικοινωνία Εγκεφάλου και Υπολογιστή

Η δεύτερη σημαντική συνιστώσα της παρούσας πρότασης είναι η ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Ανάλυσης Βιοϊατρικών Σημάτων (BIOLAB) του Τμήματος Ιατρικής που διευθύνει ο Καθηγητής Α. Μπεζεριάνος. Η ομάδα του κ. Μπεζεριάνου είναι διεθνώς αναγνωρισμένη για την έρευνά της στην ανάλυση βιοσημάτων, όπως το εγκεφαλογράφημα και το καρδιογράφημα. Με τη χρήση μεθόδων και μοντέλων της μη γραμμικής δυναμικής βρίσκεται στην πρωτοπορία σε τομείς νευρομηχανικής και νευροπειστημών, όπως η εφαρμογή της ανάλυσης «κυματιδίων» (wavelets) και θεωρίας πληροφοριών στην πολυπλοκότητα των εγκεφαλικών λειτουργιών. Οι διεθνείς συνεργασίες του εκτείνονται από Ευρωπαϊκές ομάδες, σε εργαστήρια των Η.Π.Α., της Κίνας και της Ιαπωνίας. Είναι Αναπληρωτής Εκδότης του περιοδικού “Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering» της IEEE και η έρευνά του έχει χρηματοδοτηθεί από πολλά προγράμματα της Ελλάδας, της Ευρωπαϊκής Ένωσης και των Η.Π.Α. Ο κ. Μπεζεριάνος διοργανώνει κάθε 2 χρόνια στην Πάτρα διεθνές Θερινό Σχολείο της ΙΕΕΕ με τίτλο «Αναδυόμενες Τεχνολογίες στην Βιοϊατρική».

Η ερευνητική ομάδα του κ. Μπεζεριάνου επικεντρώνεται τα τελευταία χρόνια σε προβλήματα «εγκεφαλικής συνδεσμικότητας» (brain connectivity) που είναι σημαντικά για την κατανόηση της οργανωμένης δυναμικής διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου. Η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ νευρώνων των περιοχών αυτών προσδιορίζει την κατεύθυνση και ισχύ της ροής πληροφορίας στις εν λόγω αλληλεπιδράσεις. Νέες υπολογιστικές τεχνικές έχουν αναπτυχθεί που δείχνουν τις σχέσεις μεταξύ εγκεφαλικών σημάτων και των μυϊκών ενεργειών που αυτά επιχειρούν να προκαλέσουν. Έτσι, η ανάλυση και αναπαραγωγή των σημάτων αυτών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν ασθενείς με μυϊκή ανεπάρκεια να εκφράσουν τις επιθυμίες τους μέσω της σκέψης. Η δραστηριότητα αυτή εντάσσεται στην εγκατάσταση ενός συστήματος «συνεργασίας» μεταξύ υπολογιστή και εγκεφάλου (brain computer interface) που θα επιτυγχάνει τη μέτρηση εγκεφαλικών σημάτων και την ερμηνεία τους με σκοπό την κλινική τους χρήση που θα παρέχει ενισχυτικά εργαλεία για άτομα με ειδικές ανάγκες.

Υπολογιστική Νοημοσύνη και Εφαρμογές

Η 3η συνιστώσα του προτεινόμενου Ε.Δ. είναι το Εργαστήριο Υπολογιστικής Νοημοσύνης (CILAB) του Τμήματος Μαθηματικών. Το εργαστήριο αυτό, υπό τη διεύθυνση του Καθηγητή Μ. Ν. Βραχάτη, ασχολείται με την ευρύτερη αξιοποίηση ενός συστήματος Υπολογισμών Υψηλής Ισχύος – High Performance Computing (HPC) cluster – που διαθέτει, με στόχους:

• Tην υλοποίηση μαθηματικών μεθόδων που αναλύουν βιοϊατρικές εικόνες και σήματα
• Την αριθμητική επίλυση σύνθετων προβλημάτων διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν πολύπλοκες βιολογικές διαδικασίες και
• Την παροχή της απαιτούμενης υπολογιστικής ισχύς παράλληλης αρχιτεκτονικής, για την επίλυση προβλημάτων της Υπολογιστικής Νοημοσύνης

Ο Καθηγητής Μ. Ν. Βραχάτης και η ομάδα του έχουν επιδείξει για πολλά χρόνια έντονη ερευνητική δραστηριότητα με επιτυχίες σε πολλούς τομείς της Υπολογιστικής Νοημοσύνης. Εκτός από την άρτια θεωρητική της κατάρτιση, η ομάδα του κ. Βραχάτη έχει την ικανότητα να εφαρμόζει τις μεθόδους που αναπτύσσει σε ευρεία κλίμακα προβλημάτων επιστημών όπως η βιοπληροφορική, παράγοντας νέους τρόπους προσέγγισης. Πιο συγκεκριμένα η ομάδα του CILAB, επικεντρώνεται τελυταία σε μεθόδους ομαδοποίησης χωρίς επίβλεψη, όπως ο αλγόριθμος k-windows, οι Εξελικτικοί Αλγόριθμοι και τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα.

Στα πλαίσια του προτεινόμενου Ε.Δ. θα ενισχυθούν οι συνεργασίες μεταξύ των Εργαστηρίων με άλλες ομάδες στην Ελλάδα και διεθνώς για την για την εφαρμογή μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης σε πολύπλοκα προβλήματα της Βιολογίας και της Ιατρικής, Για παράδειγμα, υπάρχουν παθολογικές καταστάσεις όπως η υπέρταση, η ισχαιμική καρδιακή λειτουργία, τα εγκεφαλικά επεισόδια και η νεφρική ανεπάρκεια που επηρεάζουν περίπου έναν στους τρεις Ευρωπαίους και μπορούν να απειλήσουν τη ζωή μας. Η πολυπλοκότητα των καρδιαγγειακών ασθενειών συνίσταται στα εξής βασικά χαρακτηριστικά:

• Eίναι ασθένειες πολυ-οργανικές
• Έχουν πολλαπλές φάσεις που σχετίζονται με μηχανικές και ηλεκτρικές διαδικασίες
• Περιγράφονται από πολλές μεταβλητές όπως οι συγκεντρώσεις ιόντων ασβεστίου (Ca2+) και νιτρικού οξειδίου (NO), που υπεισέρχονται στην ρύθμιση της αγγειακής λειτουργίας και της ροής του αίματος.

Συστημική Βιολογία: Υπολογιστική Μεθοδολογία και Εφαρμογές

Η «μετα-γενομική» εποχή χαρακτηρίζεται από 2 βασικές συνιστώσες: Η πρώτη είναι η μετατόπιση της έρευνας από τη διερεύνηση μικρού αριθμού γονιδίων και αντιδράσεων στην ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης και της πρωτεϊνικής δυναμικής στο πλαίσιο πολύπλοκων δικτύων αλλελεπιδρώντων γονιδίων και γονιδιακών προϊόντων. Η δεύτερη αφορά στην ανάπτυξη της ποσοτικής βιολογίας, μέσω της μέτρησης μοριακών ποσοτήτων που προσδιορίζουν την δρατηριότητα των εν λόγω δικτύων, π.χ. της γονιδιακής έκφρασης, της συγκέντρωσης και δράσης κάθε πρωτείνης και του μεταβολισμού.

Στα πλαίσια του προτεινόμενου Ε.Δ. θα αναπτυχθούν και θα εφαρμοσθούν υπολογιστικά εργαλεία που επιτρέπουν την αναγνώριση σχέσεων αιτίας και αιτιατού, μεταξύ της πρωτεϊνικής έκφρασης και των φαινοτυπικών μορφών. Ηγετικό ρόλο στην κατεύθυνση αυτή παίζει το εργαστήριο BIOLAB, o Διευθυντής του οποίου, Καθ. Α. Μπεζεριάνος έχει εκτενή συνεισφορά στην ανάπτυξη τεχνικών της Βιοπληροφορικής για την ανακατασκευή γονιδιακών ρυθμιστικών δικτύων, εξαγωγή λειτουργικών στοιχείων από ολοκληρωμένα δεδομένα και supervised clustering γονιδιακής έκφρασης. Στα θέματα αυτά, θα συνεργασθούμε και με την Δρα Μ. Κλάπα του ΕΙΧΗΜΗΘ, η έρευνα της οποίας επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μεθοδολογίας για την ανάλυση μεταβολικών δικτύων. Το εργαστήριο της Δρ. Κλάπα είναι μεταξύ των ολίγων διεθνώς που αναπτύσσουν και εφαρμόζουν την «μεταβολομική» τεχνολογία της Χρωματογραφίας Αερίου - Φασματοσκοπίας Μάζας (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) για τη μελέτη βιολογικών συστημάτων.

Μελέτη των Φυσικών Ιδιοτήτων της Κοκκώδους Ύλης

Τα τελευταία 20 χρόνια, η κοκκώδης ύλη (granular matter) αποτελεί έναν από του πλέον ταχέως αναπτυσσόμενους κλάδους της Φυσικής, κυρίως λόγω των πολλών βιομηχανικών εφαρμογών της, αλλά και λόγω ορισμένων εκπληκτικών ιδιοτήτων που της επιτρέπουν να συμπεριφέρεται άλλοτε σαν στερεό και άλλοτε σαν υγρό ή αέριο, συνιστώντας ένα πραγματικά πολύπλοκο σύστημα. Το Εργαστήριο Μη Γραμμικών Συστημάτων και Εφαρμοσμένης Ανάλυσης και ιδιαίτερα ο Αναπληρωτής Καθηγητής του Τμήματος Μαθηματικών Ι. Π. Βαν ντερ Βέϊλε έχει επιδείξει τα τελευταία 10 χρόνια διεθνώς αναγνωρισμένο έργο στη μελέτη της κοκκώδους ύλης.

Συγκεκριμένα, ο κ. Βαν ντερ Βέϊλε έχει μελετήσει ψυχόμενο κοκκώδες αέριο με Μαξουελλιανή κατανομή ταχυτήτων που σχηματίζει ινώδη σωματιδιακά συσσωματώματα που τελικά καταρρέουν και αναλύοντας την θερμοκρασία και την πυκνότητα συσσωμάτων κοκκωδών υλικών εξετάζει αν οι ιδιότητές τους συμπίπτουν με αυτά που προβλέπει η θεωρία της υδροδυναμικής. Επί πλέον, ο κ. Βαν ντερ Βέϊλε και η ομάδα του εργάζονται στην θεμελίωση του διαγράμματος φάσεων της κοκκώδους ύλης, μέσω του οποίου αποσκοπούν να επιβεβαιώσουν θεωρίες που ισχυρίζονται ότι καθώς αυξάνεται η ένταση της περιοδικής ανάδευσης, ένα κοκκώδες σύστημα μπορεί να συμπεριφέρεται σαν στερεό, σαν υγρό ή σαν αέριο.

Υπολογιστική Ρευστοδυναμική και Aστάθειες σε Πολυμερικά Υγρά

Οι μαθηματικές βάσεις των Νευτώνειων υγρών είναι αρκετά ανεπτυγμένες και για τον λόγο αυτό γνωρίζουμε πολλά για την δυναμική τους συμπεριφορά. Αντίθετα, για τα πολυμερικά υγρά πολύ λίγα γνωρίζουμε. Για παράδειγμα, υπό την επίδραση διαταραχών, ένα πολυμερικό υγρό μπορεί να χρειασθεί τεράστιο χρόνο για να «χαλαρώσει» σε μια κατάσταση ισορροπίας, ενώ για μικρότερες χρονικές κλίμακες μπορεί να συμπεριφέρεται σαν ένα ελαστικό στερεό, επιδεικνύοντας την λεγόμενη ιδιότητα της ιξωδοελαστικότητας (viscoelasticity). Η υδροδυναμική των πολυμερικών υγρών είναι μη γραμμική και οδηγεί σε αστάθειες που τώρα έχουν αρχίσει να εξερευνώνται. Επιπλέον η ιξωδο-ελαστική συμπεριφορά διαφέρει από υλικό σε υλικό. Έτσι, αντίθετα με τα Νευτώνεια, η ροή στα πολυμερικά υγρά εξαρτάται και από την μοριακή σύνθεση και τη δομή του ρευστού. Μία επί πλέον δυσκολία προκύπτει και από την αυξημένη πολυπλοκότητα των συνοριακών συνθηκών στις οποίες υπόκεινται τα πολυμερικά υγρά.

Οι συμμετέχοντες στο προτεινόμενο Ε. Δ. σκοπεύουν να μελετήσουν μέσω αναλυτικών μεθόδων και προσομοιώσεων, ένα πρόβλημα μεγάλης πρακτικής σημασίας που χαρακτηρίζει την συμπεριφορά ιξωδο-ελαστικών υγρών. Σε ορισμένες περιπτώσεις τα υγρά αυτά εμφανίζουν αύξηση της διαμέτρου εκβολής τους κατά 100%, σε αντίθεση με τα Νευτώνεια που δεν ξεπερνούν το 13%. Σε υψηλές διατμητικές τάσεις (shear stresses) η επιφάνεια των υγρών παρουσιάζει απότομες μεταβολές και ανωμαλίες που ονομάζονται διαρρήξεις τήγματος (melt fracture). Η εμφάνιση αυτών των ασταθειών ροής επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος μιας διαδικασίας μορφοποίησης πολυμερούς.

Θεωρία Ελέγχου και Προσομοίωσης Δυναμικών Διαδικασιών

Τα γενικά ενδιαφέροντα της ερευνητικής ομάδας του Εργαστηρίου Ρύθμισης Διεργασιών (PCLAB) αναφέρονται στις περιοχές του Αυτομάτου Ελέγχου μη γραμμικών διεργασιών, καθώς και την Προσομοίωση και Βελτιστοποίηση δυναμικών συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, τα τρέχοντα ερευνητικά αντικείμενα της ομάδας περιλαμβάνουν:

• Προβλήματα σχεδιασμού μη γραμμικών παρατηρητών
• Προβλήματα ολικής σταθεροποίησης μη γραμμικών δυναμικών συστημάτων
• Προβλήματα αναγωγής πολύπλοκων μη γραμμικών δυναμικών μοντέλων σε απλούστερα
• Προβλήματα βελτιστοποίησης περιοδικής λειτουργίας μη γραμμικών δυναμικών συστημάτων
• Προβλήματα βέλτιστης επιλογής δομών ελέγχου για δυναμικά συστήματα μεγάλης κλίμακας
• Εφαρμογές σε χημικούς και βιοχημικούς αντιδραστήρες

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων και Εικόνων

Το Εργαστήριο Ψηφιακής Επεξεργασίας Σημάτων και Εικόνων (Digital Signal and Image Processing (DSIP) LAB), Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, διαθέτει ισχυρές ερευνητικές ομάδες που εστιάζουν το έργο τους σε προβλήματα ψηφιακής ανάλυσης σημάτων και εικόνων, επεξεργασίας στοχαστικών σημάτων, αρχιτεκτονικές DSP, Αριθμητική Υπολογιστών, Κρυπτογραφία, κ.ά. Το Εργαστήριο συμμετέχει στο μόνο Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα (MSc) στην Ελλάδα για «Συστήματα Επεξεργασίας Σημάτων και Εικόνων».

Τα ερευνητικά ενδιαφέροντα των μελών του Εργαστηρίου περιλαμβάνουν εφαρμογές της επεξεργασίας σηματων και εικόνων στην τεχνολογία, τον σχεδιασμό και την αρχιτεκτονική βέλτιστων ψηφιακών συστημάτων. Μελετάται η ανίχνευση μεταβολών στη στατιστική τυχαίων διαδικασιών, που χρησιμοποιείται εκτενώς στον ποιοτικό έλεγχο συστημάτων, την βιοϊατρική και τις επικοινωνίες.

Ένας από τους στόχους είναι να αναπτυχθούν βέλτιστες τεχνικές επανειλημμένων ανιχνεύσεων συνεχούς και διακριτής ροής πληροφορίας, όταν η στατιστική πριν και μετά την μεταβολή είναι άγνωστη. Επιχειρείται επίσης να επιλυθούν προβλήματα ψηφιακής μείωσης ανάδρασης (feedback), θορύβου και ομιλίας, μέσω νέων αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας που χαρακτηρίζονται από χαμηλή πολυπλοκότητα. Ιδιαίτερη σημασία έχει η διαδικασία «εξόρυξης δεδομένων» (data mining) και η διαχείριση βάσεων δεδομένων, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η αυτόματη ανίχνευση μορφών μέσα από μεγάλες ποσότητες δεδομένων.

Δυναμική Αναγνώριση και Έλεγχος Πολύπλοκων Στοχαστικών Μηχανολογικών Συστημάτων

Το Εργαστήριο Στοχαστικών Μηχανικών Συστημάτων και Αυτοματισμού (SMSA) που διευθύνει ο Καθηγητής Σ. Φασόης εξειδικεύεται σε στατιστικές μεθόδους ανάλυσης, εκτίμησης, πρόβλεψης, διάγνωσης σφαλμάτων και ελέγχου στοχαστικών μηχανολογικών σημάτων και συστημάτων. Αυτά περιλαμβάνουν μηχανικές ταλαντώσεις (δονητικές και ακουστικές), βιομηχανικά συστήματα, μηχανικές κατασκευές, ηλεκτρομηχανικά συστήματα και συστήματα οχημάτων και αεροσκαφών, καθώς και βιοσήματα.

Μερικές από τις περιοχές ερευνητικής εστίασης του Εργαστηρίου είναι:

• Αναγνώριση κατασκευών και δυναμικών συστημάτων υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας.
• Αναγνώριση μη στάσιμων στοχαστικών ταλαντώσεων και σημάτων.
• Αναγνώριση στοχαστικών πολυμεταβλητών και μη γραμμικών συστημάτων.
• Στατιστικές μέθοδοι χρονοσειρών στην αυτόματη διάγνωση βλαβών σε κατασκευές και πολύπλοκα συστήματα.

Περισσότερες πληροφορίες για τις πρόσφατες δραστηριότητες του Εργαστηρίου μπορούν να βρεθούν στις δημοσιεύσεις.

Είναι σημαντικό ότι τα ενδιαφέροντα του Καθηγητή Σ. Φασόη και της ομάδας του έχουν πολλά κοινά σημεία με εκείνα της ομάδας του Καθηγητή Α. Μπούντη στο Εργαστήριο Μη Γραμμικών Συστημάτων του Τμήματος Μαθηματικών. Συγκεκριμένα, ο Ε. Υ. του Δικτύου Α. Μπούντης έχει δημοσιεύσει πολλές εργασίες σε θέματα της τοπικής και ολικής ευστάθειας συστημάτων Ν μη γραμμικών ταλαντωτών. Στα συστήματα αυτά το τοπικό χάος μικρής κλίμακας που υπάρχει σε χαμηλές ενέργειες απλώνεται ολικά όταν αυξηθεί η ενέργεια μέσω μιας σειράς διακλαδώσεων που αποσταθεροποιούν τις βασικές περιοδικές κινήσεις.

Θα ήταν επομένως πολύ ενδιαφέρον να συνδυασθεί, σε συγκεκριμένα μηχανικά συστήματα η μη γραμμική δυναμική ανάλυση της ομάδας του Α. Μπούντη με τη στοχαστική ανάλυση της ομάδας του Καθηγητή Σ. Φασόη για να διερευνηθεί ο ρόλος του (ντετερμινιστικού) χάους σε σχέση με αυτόν των τυχαίων διαδικασιών στην συνολική λειτουργία και συμπεριφορά του μηχανικού συστήματος.

Μη Γραμμική Οπτική και Φωτονική

Η ομάδα του Εργαστηρίου Laser του Τμήματος Φυσικής έχει ασχοληθεί για πολλά χρόνια με προβλήματα φωτονικής και ακτίνων laser που έχουν σημαντικές εφαρμογές σε προβλήματα Οπτικής αλλά και Ιατρικής Φυσικής. Από τα πλέον σημαντικά θέματα που έχει αντιμετωπίσει και τα οποία σχετίζονται άμεσα με τα ενδιαφέροντα του παρόντος Δικτύου, είναι: α) οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες υλικών, β) η διάδοση φωτός σε οπτικές ίνες, γ) η μελέτη υπερταχέων φαινομένων στην κλίμακα των femtoseconds, δ) η τρισδιάστατη διφωτονική μικροσκοπία και ε) η μελέτη αλληλεπιδράσεων της παλμών laser με μόρια DNA. Συγκεκριμένα:

• Η μελέτη των μη γραμμικών ιδιοτήτων υλικών έχει σκοπό την εύρεση κατάλληλων υλικών ώστε να αξιοποιηθούν οι οπτικές τους ιδιότητες για εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες, ιατρική και νανοτεχνολογία.
• Η διάδοση φωτός σε οπτικές ίνες προσομοιώνεται από μη γραμμικές Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις (Μ.Δ.Ε.), όπως η Nonlinear Schrφdinger (NLS), η οποία έχει μοναχικές λύσεις, γνωστές και ως «σολιτόνια», που είναι εντοπισμένες στο χώρο και διαδίδονται αναλλοίωτες με σταθερή ταχύτητα στον χρόνο. Οι ιδιότητες αυτές κάνουν τις σολιτονικές λύσεις ιδιαίτερα ελκυστικές στις οπτικές τηλεπικοινωνίες όπου η μεταφορά πληροφορίας επιτυγχάνεται μέσω υάλινων ινών ή άλλων κατάλληλων μη γραμμικών υλικών.
• Η δυναμική των υπερταχέων φαινομένων που συμβαίνουν στη φύση δεν είναι δυνατό να ανιχνευτεί παρά μόνο με παλμικά lasers στην περιοχή των femtoseconds που διαθέτει το LaserLAB. Τέτοια φαινόμενα μπορούν να μοντελοποιηθούν και αναλυθούν μέσα από τη λύση κατάλληλων μαθηματικών εξισώσεων αποκαλύπτοντας τους μηχανισμούς που τα διέπουν.
• Η τρισδιάστατη διφωτονική μικροσκοπία επιτυγχάνεται με το σύστημα femtoseconds παλμών που διαθέτει το LaserLAB και χρησιμοποιείται ευρέως στη βιοιατρική. Τα ψηφιακά σήματα που συλλέγονται με την τεχνική αυτή μπορούν να επεξεργαστούν από τα εργαστήρια DSIP LΑΒ και BIOLAB προσφέροντας πληροφορία υψηλής ανάλυσης.
• Η μελέτη της αλληλεπίδρασης παλμών laser με μόρια DNA αποσκοπεί στην ανίχνευση μηχανισμών διέγερσης και αποδιέγερσης οι οποίοι είναι γνωστό ότι πραγματοποιούνται σε πολύ γρήγορους χρόνους.