the future of neuroimaging: a 3d exploration of tbi

83
The Future of Neuroimaging: A 3D Explora9on of TBI Hunter Whitney Jeffrey Chang, MD

Upload: hunter-whitney

Post on 16-Aug-2015

102 views

Category:

Data & Analytics


2 download

TRANSCRIPT

The  Future  of  Neuroimaging:    A  3D  Explora9on  of  TBI  

 Hunter  Whitney  Jeffrey  Chang,  MD  

Speakers  

Hunter  Whitney  •  UX  Designer  and  Author  of  “Data  Insights”  

Jeffrey  Chang,  MD  •  ER  Radiologist  

2  

Disclosure  

   We  have  no  financial  or  commercial  conflicts  of  interest  to  disclose  

3  

Agenda    •  Introduc9on  /  WIIFM  •  TBI  Overview  •  UX  Design  Concepts  •  NEAAL  Video  •  Improving  on  It  –  Imaging  and  User  Control  •  Applica9ons  in  Research  •  From  Research  to  Treatment  •  Brain  Mapping  –  Current,  Future  and  Complica9ons  •  The  Purpose  of  a  PlaXorm  •  Hunt  for  Ar9ficial  General  Intelligence  

4  

5  

The  (Real)  Final  Fron9er:    The  Human  Brain  

Introduc9on  

Blast  medicine  anyway!  We've  learned  to  9e  into  every  organ  in  the  human  body  but  one.  The  brain!  The  brain  is  what  life  is  all  about.    -­‐Dr.  Leonard  H.  McCoy  ("Bones")  (from  Star  Trek  TV  series,  The  Menagerie)    

6  

•  Average  weight  of  a  human  brain:    3  pounds  •  Number  of  neurons  in  the  brain:    100  Billion  •  Miles  of  blood  vessels,  capillaries  and  other  transport  

systems  in  the  brain:    100,000  miles  •  Number  of  connec9ons  in  the  adult  brain:  1  quadrillion  

Gecng  Inside  Your  Head  is  a  Challenge  

7  

“Since  the  brain  is  unlike  any  other  structure  in  the  known  universe,  it  seems  reasonable  to  expect  that  our  understanding  of  its  func9oning…will  require  approaches  that  are  dras8cally  different  from  the  way  we  understand  other  physical  systems.”    -­‐Richard  M.  Restak  (from  The  Brain.  The  Last  FronEer,  1979)    

New  Approaches  

8  

Crea9ng  useful  new  ways  to  model,  visualize,  and  interact  with  many  layers  of  data  about  the  brain  is  vitally  important  for  many  purposes.        

New  Perspec9ves  Needed  

WIIFM  –  Investors’  Edi9on  

9  

•  This  is  the  Brain  Era  –  many  of  the  next  thirty  years’  technological  breakthroughs  and  their  commercial  applica9ons  will  happen  right  here  

•  New  industry  innova9ons  revolu9onize  our  world  each  year  –  and  they  each  relate  to  the  future  of  thought,  intui9on  and  analysis  

•  S&P  500  companies  last  5  years  on  average  –  you  must  glimpse  decades  ahead  in  R&D  

•  SXSW  2013  –  RIP  Dell,  Groupon,  HP,  B&N,  RIAA  

I’m  a  Dev  –  WIIFM?  

10  

•  Understand  the  issues  

•  Research  in  every  field  is  remarkably  varied  

•  Huge  gulf  between  research  and  applica9on  –  the  dev’s  work  can  bridge  that  gap,  through  UI  and  by  understanding  each  audience’s  needs  

•  Investment  pouring  in,  startups  and  funded  brain  mapping  projects  all  need  devs  

Wait,  Isn’t  This  the  Research  Track?  

11  

•  Connec9ng  research  done  by  many  different  groups  –  mul9ple  disciplines  working  as  one  

•  Breaking  down  silos  within  ins9tu9ons  and  across  the  world  

•  The  beper  you  understand  the  target  applica9on  and  end-­‐goal,  the  more  likely  you’ll  discover  something  truly  revolu9onary  –  and  the  more  likely  you’ll  get  funding  

•  Have  a  say  in  the  UI  –  what  do  you  actually  need?  

Concept  for  Neuroimaging  System  

12  

We’re  going  to  show  an  early  concept  for  a  neuroimaging  system  that  could  be  used  for  many  purposes,  including  research  into  trauma9c  brain  injury  (TBI)    

By  examining  the  elements  of  something  that  is  broken…  

13  

…you  can  also  gain  more  insight  into    how  it  normally  works.  

14  

TBI  Overview  

15  

Source:    Robert  T.  Knight,  M.D.  Professor  of  Psychology  and  Neuroscience  Department  of  Psychology  Helen  Wills  Neuroscience  Ins9tute  

The  impact  of  the  problem…  

16  

…con9nues  to  emerge.  

17  

 Many  Complex  Interac9ons  

18  

Just  as  a  car  is  made  up  of  a  range  of  different  parts  and  materials  that  will  be  differen9ally  impacted  in  a  collision,  far  more  so  are  the  components  of  the  brain.      It  is  really  only  possible  to  figure  out  the  full  extent  of  damage  retrospec9vely.    

Mul9ple  Factors  

19  EMP  (Electromagne8c  Pulse)  

Dynamic  Forces  

20  

21  

UX  Design  Concepts    

Gecng  a  Deeper  Perspec9ve  of  Loca9on  with  3D  

22  

23  

A  3D  neuroimaging  system  that  allows  a  fast,  fluid  inves9ga9on  of  heterogeneous  data  about  the  brain  from  the  popula9on  level  down  to  a  specific  neural  pathway  in  an  individual  pa9ent  

Vision  

 NEAAL  

(NeuroElectric  and  Anatomic  Locator)    

24  

25  

High-­‐level  Goals  for  NEAAL  

•  Integra8on  -­‐  incorporate  3D  anatomical  visualiza9ons  with  related  non-­‐physical,  data  in  a  simple,  elegant  display  

•  Interac8on  -­‐  maximize  visual  display  for  primary  work  goals    and  employ  verbal  and  gestural  input  for  the  func9onal  tasks  (NEAAL  is  no  “WIMP”)  

•  Orienta8on  -­‐  help  users  maintain  context  as  they  move  through  an  analy9c  process  while  s9ll  not  overloading  the  display  (ephemeral  context)  

   

26  

 •  Localiza8on  -­‐  allow  users  to  quickly  and  easily  hone  in  on  and  

mark  points  of  interest    

•  Accelera8on  -­‐  enable  faster  workflows  and  more  rapid,  itera9ve  hypothesis  tes9ng.  

   

High-­‐level  Goals  for  NEAAL  (Cont.)  

NEAAL  Applies    Ben  Shneiderman’s  Mantra  

   “Overview  first,  zoom  and  filter,  then  details-­‐on-­‐demand”  

27  

28  

Scenario  for  NEAAL  

In  2008,  a  soldier  in  Afghanistan  suffers  a  TBI…  

29  

…and  subsequent  depression  and    PTE  (post-­‐trauma9c  epilepsy).  

Certain  notable  features  of  the  case  are  flagged  by  the  clinician  and  aggregated  with  similar  cases   History  &  Physical    

30  

Certain  PTE  Cases  with  Characteris9c  Apributes  are  Aggregated  

History  &  Physical    Aggregated  H&P  Data    

Aggregated  View  

31  

A  Researcher  Starts  with  the  Aggregate  and  then  Moves  to  the  Individual  Case    

Individual  View  

32  

Aggregate  View  

33  

Integra8on    

Paths  

Loca9on  and  Scale  

Structural,  Func9onal,  Cogni9ve,  Demographic    

Views  

Inves9ga9ve  and    Anatomical  

The  Big  Picture  

H&P  CT  

34  

CT  

     Popula9on  

Cog  

ANAM  

H&P  

PTE  Inves8ga8on  

Steps  of  an  Inves9ga9on  (PTE)  

35  

CT  

     Popula9on  

Cog  

ANAM  

Steps  of  an  Inves9ga9on  (Depression)  

H&P  

Depression  Inves8ga8on  

Traveling  on  an  Anatomical  Path  with  Different  Imaging  Modali9es  

MRI  +  DTI  

DTI  

36  

Scale  Changes  from  Large  Structural  Features  to  Discrete  Neural  Tracts  

37  

38  

Remember  the  Future?    

Deckard’s  Image  Scanner  

39  

“Enhance  15  to  23”  

   Image  Scanner  Next  Gen  

What  can  be  improved?  

•  The  Blade  Runner  vision  is  interes9ng  but  would  be  cumbersome  for  the  researcher  in  our  scenarios;  mul9modal  3D  is  a  more  robust  and  easier  to  use  vision.  

 •  Another  Image  Scanner  Next  Gen  idea…  

 “Print  a  hard  copy.”  Why  not  do  that  with  a  3D    print    of  the  brain  and  locus  of  injury?  

 40  

41  

NEAAL  Video  

Disclaimer:  Imaging  Limita9ons  

42  San&ago  Ramón  y  Cajal,  Drawing  of  a  single  neuron,  1899  Jiang  X  et  al.  The  organizaEon  of  two  new  corEcal  interneuronal  circuits,  Nature  Neuroscience  2013  

MVP  Concept  Disclaimer  

43  

•  Consider  a  dynamic  interface  – Gestural  control  of  the  flyover  – Rapid  gestural  or  voice-­‐driven  zoom  and  manipula9on  

–  Instant  localiza9on  of  any  part  of  the  brain  – Tracks  mul9ple  modali9es  at  once,  and  remembers  which  overlays  provide  complementary  informa9on  

Imaging  will  change  …  

44  Improved  Stroke  Imaging  Techniques,  JAMA  1999  

Zhang,  W.  et  al.  Landmark-­‐referenced  voxel-­‐based  analysis  of  diffusion  tensor  images  of  the  brainstem  white  ma]er  tracts.  NeuroImage  2009  

Laundre,  B  et  al.  Diffusion  Tensor  Imaging  of  the  CorEcospinal  Tract  before  and  a^er  Mass  ResecEon.  AJNR  2005  

Christoforidis,  G.  et  al.  “Tumoral  Pseudoblush”  IdenEfied  within  Gliomas  at  High-­‐SpaEal-­‐ResoluEon  Ultrahigh-­‐Field-­‐Strength  Gradient-­‐Echo  MR  Imaging.  Radiology  2012  

We  will  live  to  see  the  end  of  the  

mouse  …  

45  

Non-­‐Invasive  BCI  

46  

Emo8v  EPOC  -­‐  2008  

g.Tec  intendiX-­‐  SPELLER  -­‐  2012  

EPOC  with  AutoNOMOS-­‐Labs  

47  

What  Other  Applica9ons  Need  Robust  Tools?  

One  plaXorm,  mul9ple  possibili9es  

•  Tissue  Bioengineering  

•  Organism  Simula9on  

Tissue  Bioengineering?  

48  From  Mosby  Year-­‐Book  

Anthony  Atala:  PrinEng  a  Human  Kidney  (TED  2011)  

Organism  Simula9on  –  for  Aging,  Disease  and  Pharma  

49  

Modeling  of  a  Biological  Cell  Model,  MarEn  Falk,  Universität  Stu]gart  

Marcus  Covert  Systems  Biology  Lab,  Stanford  

From  Research  to  Treatment  

50  Dr.  Balaji  Anvekar’s  Neuroradiology  Cases;  SP  Ins9tute  of  Neurosciences,  Solapur,  India  -­‐  2012  

AI  in  the  Hyperacute  Response  

51  

Keyhole  neurosurgery  –  EU  ROBOCAST  •  Bigger  robot  holding  smaller  robot  

July  2011,  Baghdad  –  Wealth  of  Health  /  Neuroscience  News  

The  Future  of  TBI  Treatment  

52  

Studies  of  axonal  regeneraEon    in  Drosophila  (fruit  flies),  Melissa  Rolls,  Penn  State  University  

Nerve  Replacement  Strategies  for  Cavernous  Nerves  May,  F  et  al.  European  Urology  2005(48:3)  Salvador,  G.  Uranga,  R  and  Giusto,  N.  Iron  and  Mechanisms  of  Neurotoxicity.  

InternaEonal  Journal  of  Alzheimer’s  Disease,  2011  

Hurdles  to  Healing  the  Aging  Mind  

53  

Scheltens,  Philip.  Imaging  in  Alzheimer’s  Disease.  Dialogues  in  Clinical  Neuroscience  2009(11)  

•  The  road  from  Assis9ve  Robo9cs  to  Automa9on  

•  Automated  clinical  care  algorithms,  especially  with  a  new  genera9on  of  physicians  

•  Rapid  tes9ng,  immediate  results  for  more  labs  and  radiology,  shortened  stays  (ACO  models)  

Disrup9ng  a  Conserva9ve  Industry  

54  Automated  ICU  SedaEon  @  Georgia  Tech  –  Wassim  Haddad,  Allen  Tannenbaum  and  Behnood  Gholami  

Prof.  Allison  Okamura’s  HapEc  ExploraEon  Lab  at  JHU  (now  at  Stanford)  

Brain  Mapping  IBM  Researchers  Create  the  Most  Detailed  Brain  Map  Yet  “A  significant  stride  towards  reverse-­‐engineering  the  darn  

thing.”  

55  

 July  27th,  2010    410  papers,  50  years,  CoCoMac  database  of  the  Macaque  brain    383  brain  regions,  6,602  directed  long-­‐distance  connec9ons  

“The  data  is  of  the  monkey,  by  the  people,  and  for  the  people.”  –  Dharmendra  Modha,  SyNAPSE  

CLARITY  –  innova9on  beckons  

56  CLARITY  –  Intact  mouse  brain  stained  with  fluorescent  protein-­‐specific  labels.  Kwanghun  Chung  and  Karl  Deisseroth,  Howard  Hughes  Medical  Ins8tute  /  Stanford  University  

The  Growing  Wave  

57  

“The  Next  Fron9er”  

58  

I  think  the  biggest  innova&ons  of  the  21st  century  will  be  at  the  intersec&on  of  biology  and  technology.  A  new  era  is  beginning.”  –  Steve  Jobs,  2011  

Building  the  Universal  PlaXorm  

59  

Rita  Carter  –    Mapping  the  Mind:  Revised  and  Updated  EdiEon  (2010)  

Milky  Way  will  collide  with  Andromeda  in  4  billion  years;  courtesy  of  NASA  

Problem  #1  

60  

Problem  #2  

61  

Problem  #3  

62  

63  

It’s  Even  More  Complicated  

Sprout  Labs  Australia  Buxhoeveden,  D.  and  Casanova,  M.  The  minicolumn  hypothesis  in  neuroscience.  Oxford  Journals:  Brain  2001  

Issues  with  the  Mind  

64  

Men  ought  to  know  that  from  the  brain,  and  from  the  brain  only,  arise  our  pleasures,  joy,  laughter  and  jests,  as  well  as  our  sorrows,  pains,  griefs,  and  tears.  

     –  Hippocrates  of  Cos  (circa  400  BC)  

What  Counts  as  a  Mapped  Brain?  

65  

The  PlaXorm  as  a  Guide  

66  

Progress  in  Brain  Mapping  

67  

Allen  Ins8tute  for  Brain  Science  (2003)  

$300M  from      2012-­‐2016  

Human  Brain  Atlas  –  2011  

Progress  in  Brain  Mapping  

68  

The  Human  Connectome  Project    Started  August  2012,  $30M    UCLA  –  MGH,  Washington  U.  –  U.  Minnesota  

LPBA  –  the  ProbabilisEc  Brain  Atlas  at  UCLA  

Progress  in  Brain  Mapping  

69  

Aggrega9on  of  1200  brain  MRIs,  including  300  pairs  of  twins    Increasing  resolu9on  of  the  reference  MRI  map  to  1  mm  

MarEnos  Center  at  MGH  (Harvard)  

The  Future  of  Brain  Simula9on  

70  

“CERN  For  The  Brain”    The  Human  Brain  Project  @  EPFL  (Lausanne,  Switzerland)    Awarded  €1.19B  over  10  years  by  the  EC’s  FET  flagship    Compila9on  of  global  neuroscience  data,  will  build  plaXorm  to  help  researchers  with  neuromorphic  compu9ng  and  designing  neurorobo9cs    Collabora9ve  effort  Blue  Brain  +  87  European  and  interna9onal  partners  

10,000  simulated  neurons,  30  million  synapses,  forming  part  of  a  single  corEcal  column  in  the  rat  brain;  from  HBP  in  2008  

The  Supercomputer  Approach  

71  

TrueNorth,  on  LLNL’s  Blue  Gene  /  Q  Sequoia  (2nd  fastest  supercomputer  in  the  world)    

96  racks  (1,572,864  cores,  1.5PB  memory,  6,291,456  threads)    

553.5  billion  neurons    

100  trillion  synapses  (DARPA’s  SyNAPSE)    

1  /  1542  the  speed  of  the  human  brain    

The  actual  human  brain  has  86  –  100  billion  neurons  and  100  trillion  to  1  quadrillion  synapses;  average  es9mate  at  350  trillion  synapses    

Simula9on  at  approximately  4.8%,  or  1/20th,  the  synap9c  density  of  the  human  brain  (synapses  per  neuron)  

Each  dot  represents  a  neurosynapEc  core,  containing  256  neurons;  1024  synapses  per  neuron.  2.084  billion  cores,  divided  into  77  brain  regions,  using  the  macaque  brain  as  the  template  

Func9on-­‐Focused  

72  

Spaun  –  U.  Waterloo    Largest  simula9on  of  a  func9oning  brain,  with  2.5  million  separately  modeled  spiking  neurons    Performs  a  variety  of  tasks;  very  useful  as  a  model  for  managing  the  flow  of  informa9on  through  a  large  system,  

Culturing  the  Brain  

73  

To  understand  the  development  of  synapses  and  spontaneous  excita9on  on  a  cellular  level  

MIRA  InsEtute,  University  of  Twente  –  November  2012;  neurite  morphology  in  a  simulated  Petri  dish  of  10,000  neurons  

Living  Neural  Networks  

74  Removing  some  ‘A’  from  AI:  Embodied  Cultured  Networks  (2004)  –  GA  Tech,  MIT,  U.  Western  Australia,  U.  Florida  (follow-­‐up  global  research  from  2004    to    2012)  

Simula9ng  the  Brain  in  Real  Time  

75  

Neurogrid  

Modeling  selec&ve  aPen&on  in  the  visual  cortex,  by  increasing  the  gain  of  excitatory  neurons.  Analog  computa9on  (parallel)  to  emulate  ion-­‐channel  ac9vity,  and  digital  synap9c  connec9ons.    Simulates  1  million  neurons  and  6  billion  synapses  in  real-­‐9me,  using  only  5  waps  of  power  

Nick  Steinmetz,  2011  @  Stanford  

AI  –  The  Eternal  Horizon  

76  

The  Road  to  AGI  

77  Sandberg,  Anders;  Bostrom,  Nick  (2008).    Whole  Brain  EmulaEon:  A  Roadmap.    Future  of  Humanity  InsEtute,  Oxford  University  

78  

Lvl   Extent  of  Whole  Brain  Emula8on  

#  of  en88es   Storage  Demands  (Tb)  

Earliest  Year  ($B  projects)  

CPU  Demand  (FLOPS)  

Earliest  Year  ($B  projects)  

2   Brain  Region  Connec8vity  

105  regions,  107  connec9ons  

3  x  10-­‐5   Achieved   -­‐-­‐   Achieved  

3   Analog  network  popula8on  model  

108  popula9ons,  1013  connec9ons  

50   Achieved   1015   Achieved  

4   Spiking  neural  network  

1011  neurons,  1015  connec9ons  

8,000   2016   1018   2018  

5   Electrophysiology   1015  compartments  x  10  state  variables  

10,000   2016   1022   2030  

6   Metabolome   1016  compartments  x  102  metabolites  

106   2024   1025   2040  

7   Proteome   1016  compartments  x  103  proteins  

107   2028   1026   2044  

8   State  of  protein  complexes  

1016  compartments  x  103  proteins  x  10  states  

108   2031   1027   2047  

9   Distribu8on  of  complexes  

1016  compartments  x  103  proteins  x  100  states  

109   2035   1030   2057  

10   Stochas8c  behavior  of  single  molecules  

1025  molecules   3.1  x  1014   2055   1043   2100  

11   Quantum  states   Approx.  1026  atoms   Using  Qbits   ?   Using  Qbits   ?  Sandberg,  Anders;  Bostrom,  Nick  (2008).    Whole  Brain  EmulaEon:  A  Roadmap.    Future  of  Humanity  InsEtute,  Oxford  University  

The  AGI  Timeline  

79  Sandberg,  Anders;  Bostrom,  Nick  (2008).    Whole  Brain  EmulaEon:  A  Roadmap.    Future  of  Humanity  InsEtute,  Oxford  University  

The  Singularity?  

80  

“In  the  future,  search  engines  should  be  as  useful  as  HAL  in  the  movie  2001:  A  Space  Odyssey  –  but  hopefully  they  won’t  kill  people.”  –  Sergey  Brin  

“In  the  game  of  life  and  evolu&on  there  are  three  players  at  the  table:  human  beings,  nature,  and  machines.      I  am  firmly  on  the  side  of  nature.  But  nature,  I  suspect,  is  on  the  side  of  the  machines.”  –  George  Dyson  

AGI  –  Current  Efforts  

 

81  

Vicarious,  Genifer,  Numenta,  OpenCog,  OpenNARS,  A2I2,  Cyc,  Soar,  the  Google  Moonshot  Factory  

 Every  &me  I  talk  about  Google’s  future  with  Larry  Page,  he  argues  that  it  will  become  an  ar&ficial  intelligence.”  –  Steve  Jurvetson,  Draper  Fisher  Jurvetson  

The  Next  Decade  1.  Building  the  necessary  tools,  

for  discovery  and  applica8on  

82  

If  you  invent  a  breakthrough  in  ar&ficial  intelligence,  so  machines  can  learn,  that  is  worth  10  Microso\s.”  –  Bill  Gates,  2004  

2.  Keeping  abreast  of  the  8meline  for  Brain  Mapping  efforts;  finding  the  right  ques8ons  to  ask,  for  new  weak  AI  applica8ons  

3.  Will  your  startup’s  logo  be  on  this  slide  in  2023?  

Acknowledgments  

83  

Special  Thanks:    Michael  Aratow,  MD    Lee  Hall,  M.D.    Jason  Collins,  Canopy  Partners    Jeanne  Rayne,  Canopy  Partners    Veena  Kumar,  MD,  MPH    Paul  Laurien9,  MD    The  zSpace  team  

Video  Produc8on:    Spencer  Lindsay,  Lindsay  Digital    Ruby  Rieke