Aivojen ja tietokoneen rajapintateknologia siirtyy pois laboratoriosta elämäämme

Aivomme liittäminen tietokoneisiin luo visioita joko liittymisestä Matrixiin tai juoksemisesta Pandoran metsien läpi Avatarissa. Mielen yhdistämisestä koneeseen on spekuloitu siitä lähtien, kun aloimme ymmärtää hermoston monimutkaisuutta – ja kuinka voimme yhdistää sen tietotekniikkaan. Voimme nähdä tämän varhaisissa tieteisfiktioissa, kun kehottomat aivot ohjaavat lukuisia koneita suorittaakseen jonkin kokonaisuuden ilkeästi.  

Brain-Computer Interfaces (BCI) on ollut olemassa jo jonkin aikaa. Jacques Vidal, UCLA:n emeritusprofessori, joka tutki näitä järjestelmiä 1970-luvulla, loi termin BCI. Perusoletus on, että ihmisen aivot ovat prosessori, joka käsittelee aistitietoa ja lähettää käskyinä sähköisiä signaaleja. Oli lyhyt logiikan harppaus olettaa, että tietokoneet voidaan sitten ohjelmoida tulkitsemaan näitä signaaleja ja lähettämään omia signaalejaan samalla kielellä. Luomalla tämä yhteinen kieli teoriassa aivot ja kone voivat puhua toisilleen. 

Liikuttamalla sitä… tunteella 

Monet BCI:n sovellukset ovat hermoston kuntoutuksen alalla. Tiedemiehet ovat pitkään tienneet, että tietyt toiminnot sijaitsevat tietyillä aivojen alueilla, ja tällä "aivokartan" tuntemuksella voimme stimuloida näitä alueita suorittamaan vastaavat tehtävänsä. Istuttamalla elektrodeja esimerkiksi motoriseen aivokuoreen ihmisiä, joilla on puuttuvia raajoja, voidaan opettaa liikuttamaan tai käsittelemään proteeseja "ajattelemalla" käden liikuttamista. Samoin elektrodeja voidaan sijoittaa pitkin vaurioitunutta selkäydintä lähettämään signaaleja halvaantuneiden raajojen liikuttamiseksi. Tätä tekniikkaa käytetään myös näköproteeseissa, korvaamaan tai palauttamaan tiettyjen henkilöiden näkö. 

Neuroproteesien tavoitteena ei ole vain matkia menetettyä motorista toimintaa. Esimerkiksi kun poimimme kananmunan, aivomme kertovat meille, kuinka luja otteemme tulee olla, joten emme murskaa sitä. Sharlene Flesher on osa Pittsburghin yliopiston tiimiä, joka integroi tämän toiminnon proteeseihinsa. Kohdistamalla myös aivojen alueelle, joka "tuntuu" tai aistii kosketusstimulaation (somatosensorinen aivokuori), Flesherin tiimi toivoo voivansa luoda uudelleen vaikutelman palautemekanismista, jonka avulla voimme moduloida kosketusta ja painetta – mikä on välttämätöntä käden hienomotoriset liikkeet. 

Fiesher sanoo: "Yläraajan toiminnan palauttaminen täysin tarkoittaa sitä, että käytämme käsiämme ollaksemme vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa ja pystymme tuntemaan, mitä kädet koskettavat", ja "jos haluat todella käsitellä esineitä, sinun on tietää, mitkä sormet ovat kosketuksissa, kuinka paljon voimaa kukin sormi kohdistaa, ja käytä sitten näitä tietoja seuraavan liikkeen tekemiseen." 

Todelliset jännitteet, joilla aivot lähettävät ja vastaanottavat impulsseja, ovat hyvin alhaiset - noin 100 millivolttia (mV). Näiden signaalien saaminen ja vahvistaminen on ollut valtava tarttuva kohta BCI-tutkimuksessa. Perinteiseen tapaan implantoida elektrodit suoraan aivoihin tai selkäytimeen liittyy väistämätön kirurgisten toimenpiteiden, kuten verenvuodon tai infektion, riski. Toisaalta ei-invasiiviset "hermokorit", kuten elektroenkefalogrammeissa (EEG:t) käytetyt, tekevät signaalin vastaanottamisesta ja lähettämisestä vaikeaa "kohinan" vuoksi. Luinen kallo voi hajauttaa signaaleja, ja ulkoinen ympäristö voi häiritä vastaanottoa. Lisäksi tietokoneeseen yhdistäminen vaatii monimutkaista johdotusta, joka rajoittaa liikkuvuutta, joten useimmat BCI-kokoonpanot ovat tällä hetkellä laboratorioasetuksen rajoissa. 

Flesher myöntää, että nämä rajoitukset ovat myös rajoittaneet kliiniset sovellukset tietylle väestölle, jolla on pääsy näihin kehitykseen. Hän uskoo, että eri alojen tutkijoiden lisääminen voisi vauhdittaa kehitystä ja ehkä tarjota innovatiivisia ratkaisuja näihin esteisiin. 

"Tekemämme työn pitäisi saada muut innostumaan tutkimaan tätä tekniikkaa... useiden eri alojen asiantuntijat työskentelevät saman tavoitteen saavuttamiseksi on paljon nopeampi tapa tarjota parhaat ratkaisut potilaille." 

Itse asiassa tutkijat ja suunnittelijat tutkivat BCI:tä syvemmin, ei vain voittaakseen nämä rajoitukset, vaan kehittääkseen uusia sovelluksia, jotka ovat herättäneet suurempaa yleistä kiinnostusta. 

Labrasta ja peliin 

Bostonissa sijaitsevasta Neurablesta on tullut Michiganin yliopiston opiskelijakäynnistyksensä alusta lähtien yksi näkyvimmistä toimijoista kasvavalla BCI-kentällä tutkimalla erilaista lähestymistapaa BCI-teknologiaan. Oman laitteiston rakentamisen sijaan Neurable on kehittänyt patentoidun ohjelmiston, joka analysoi ja käsittelee aivoista tulevia signaaleja algoritmien avulla.  

"Neurablella olemme ymmärtäneet uudelleen, kuinka aivoaallot toimivat", toimitusjohtaja ja perustaja tohtori Ramses Alcaide selittää. "Voimme nyt saada kyseiset signaalit tavallisista EEG-asetuksista ja yhdistää ne oppimisalgoritmeihimme leikkaamaan kohinan ja löytämään oikeat signaalit suurella nopeudella ja tarkkuudella." 

Toinen Alcaiden mukaan luontainen etu on, että heidän ohjelmistokehityspakettinsa (SDK) on alustaagnostikko, mikä tarkoittaa, että sitä voidaan soveltaa mihin tahansa yhteensopiviin ohjelmistoihin tai laitteisiin. Tämä irrottautuminen "tutkimuslaboratorion" muotista on yrityksen tietoinen liiketoimintapäätös avata mahdollisuuksia missä ja miten BCI-teknologiaa voidaan soveltaa. 

"Historiallisesti BCI:t ovat sisältyneet laboratorioon, ja olemme tekemässä tuotteen, josta kaikki voivat hyötyä, koska SDK:tamme voidaan käyttää missä tahansa ominaisuudessa, olipa se sitten lääketieteellistä tai ei." 

Tämä mahdollinen purkaminen tekee BCI-tekniikasta houkuttelevan monissa sovelluksissa. Vaarallisissa ammateissa, kuten lainvalvonta- tai palontorjunta, tosielämän skenaarioiden simulointi ilman vaadittua vaaraa voi osoittautua korvaamattomaksi koulutusprosessin kannalta. 

Myös mahdollinen kaupallinen sovellus pelialalla herättää paljon jännitystä. Peliharrastajat haaveilevat jo täysin uppoutumisesta virtuaaliseen maailmaan, jossa aistiympäristö on mahdollisimman lähellä todellisuutta. Ilman käsiohjainta pelaajat voivat "ajatella" komentojen suorittamista virtuaaliympäristössä. Kilpailu kaikkein mukaansatempaavimman pelikokemuksen luomiseksi on saanut monet yritykset tutkimaan BCI:n kaupallisia mahdollisuuksia. Neurable näkee tulevaisuuden kaupallisessa BCI-teknologiassa ja omistaa resursseja tälle kehityspolulle. 

"Haluamme nähdä teknologiamme upotettuna mahdollisimman moneen ohjelmisto- ja laitteistosovellukseen", Alcaide sanoo. "Sallimalla ihmisten olla vuorovaikutuksessa maailman kanssa käyttämällä vain aivotoimintaansa, tämä on mottomme todellinen merkitys: maailma ilman rajoituksia."