Aivoelektrodit lukevat ajatuksia

Tuhansilla rottien aivoihin ommelluilla elektrodeilla on onnistuttu tulkitsemaan hermoimpulsseja ja selvittämään ajattelua. Koe voi olla ratkaisun avain kehitettäessä hoitoa vakaviin hermoston sairauksiin.

Tuhansilla rottien aivoihin ommelluilla elektrodeilla on onnistuttu tulkitsemaan hermoimpulsseja ja selvittämään ajattelua. Koe voi olla ratkaisun avain kehitettäessä hoitoa vakaviin hermoston sairauksiin.

neuralink & Claus lunau

Robotti ompelee nopein liikkein laboratoriorotan aivoja jollain ompelulankaa muistuttavalla.

Kyse ei ole kuitenkaan tavallisesta rihmasta, vaan se on erittäin ohut ja joustava johto, jonka päällä on tuhansia elektrodeja.

Kone tikkaa tarkasti jopa 192 elektrodia minuutissa rotan aivoihin enintään millimetrin syvyyteen.

Työjakso on 45 minuutin kuluttua ohi, ja kaikkiaan 3 072 elektrodia yhdistetään mikrosiruun, joka on kiinnitetty rotan kalloon.

Tästä eteenpäin tutkijat voivat kirjaimellisesti lukea laboratorioeläimen ajatuksia.

Kokeen takana on yrittäjä Elon Musk, joka tunnetaan parhaiten sähköautoja valmistavan Teslan toimitusjohtajana ja avaruusalalla toimivan SpaceX-yrityksen perustajana.

Hänen yhtiönsä Neuralink on kehittänyt kaksi vuotta aivosirua, joka ratkaisee sellaisia terveysongelmia kuin traumaperäinen stressihäiriö (PTSD) ja Parkinsonin tauti – ja voi ennen pitkää ohjata laitteita pelkästään ajatuksen voimalla.

Elektrodimäärä moninkertaistuu

Uusi siru toimii sillä periaatteella, että jokainen mikroskooppinen elektrodi ottaa hoitaakseen yhden aivosolun ja huolehtii siitä, että kaikki sen lähettämät hermoimpulssit tulevat noteeratuiksi.

Näin selvitetään, kuinka aivosolut viestivät keskenään, ja kartoitetaan aivotoiminta yksityiskohtaisesti.

Ompelukone ompelee aivokuoreen 96 johtoa, joista jokaisessa on 32 elektrodia.

© Neuralink

Ompelukone on jo ensimmäisissä kokeissa yli kaksikymmentäkertaistanut elektrodien määrän samalla alalla verrattuna aikaisempiin yrityksiin.

Tämä tarkoittaa vähemmän kajoavaa toimenpidettä, sillä tarvittava elektrodimäärä saadaan paljon pienemmälle alueelle.

Lisäksi uusi tekniikka mahdollistaa elektrodien ompelemisen eri puolille aivoja ja erilaisten mikrosirujen viestinnän ja yhteistyön. Tästä on apua silloin, kun sairaus syntyy useilla aivoalueilla.

Monet neurologiset sairaudet juontuvat aivoverkkojen osittaisesta vioittumisesta tai tuhoutumisesta.

Siru voi kuitenkin auttaa myös traumaperäisestä stressihäiriöstä kärsiviä, vaikka siinä on kyse ennen kaikkea mielenterveydestä.

Tavoitteena on hillitä esimerkiksi sitä ahdistusta, jota kotiutettu sotilas tuntee kokiessaan uudelleen sodan kauhuja vaikkapa painajaisina tai takaumina.

Normaalisti traumaattinen muisto aktivoi pelkokeskuksena toimivat mantelitumakkeet ja aiheuttaa sitä kautta saman voimakkaan jännityksen ja hätäännyksen.

Uusi tekniikka tähtää traumaattisen muiston tunnistamiseen hippokampuksen palauttaessa sen mieleen.

Elektrodit reagoivat äkilliseen jännitykseen, ja siru lähettää sähköimpulsseja ohuita johtoja pitkin mantelitumakkeisiin.

Impulssit rauhoittavat pelkokeskuksen, ennen kuin stressireaktio syntyy, ja näin ahdistuskohtaus estyy.

Lepovapina vaimenee

Mikrosiru voi joissakin tapauksissa vastaanottaa jo pienellä määrällä elektrodeja niin paljon hermoimpulsseja, että se saa hyvän käsityksen siitä, mitä aivoissa tapahtuu.

Jo vuonna 2012 insinööri Roman Genov kanadalaisesta Toronton yliopistosta totesi rottakokeissa, että epilepsiakohtauksen ennakointi onnistuu 64 elektrodilla.

Rottien siru pystyi reagoimaan tilanteeseen salamannopeasti: se vilkastutti heti sen aivoalueen toimintaa, jolla epilepsiakohtaus oli kehittymässä, ja esti useimmiten sen alkamisen. Onnistumisprosentiksi tuli 80.

Elektrodit hillitsevät Parkinson-potilaiden lepovapinaa

/ 3

Parkinson-potilaan vapinaan liittyvät hermoimpulssit rekisteröidääm motorisessa keskuksessa.

1

Tieto välittyy korvan takana olevaan siruun.

2

Siru analysoi viestit ja saa linssitumakkeen pallon vaimentamaan vapinaa.

3
© Claus Lunau

Nykyään tutkitaan mahdollisuuksia käyttää samaa menetelmää Parkinsonin taudin hoitoon.

Tarkoituksena on antaa elektrodien havaita lepovapinaa aiheuttava toiminta motorisessa keskuksessa ja panna siru aktivoimaan niitä aivojen osia, jotka vaimentavat tai ehkäisevät vapisemista.

Järjestelmän se puoli, joka saa aivotoimintaa paikallisesti vilkastuttamalla vapinan vähenemään, on jo käytössä.

Menetelmä tunnetaan nimellä syväaivostimulaatio (deep brain stimulation, DBS), ja sen tulokset ovat hyviä.

Syväaivostimulaation haittoihin kuuluu se, että se vaikuttaa, vapisipa potilas sitten tai ei, joten se voi johtaa ylihoitoon.

Tulevaisuudessa laitteita on mahdollista käyttää ajatusohjauksella. Neuralinkin tuhannet elektrodit voivat muuttaa monimutkaisia aikomuksia hyvin täsmällisiksi liikkeiksi esimerkiksi ohjatessaan oman käden korvaavan robottiraajan toimintaa.

©

Elektrodit ommellaan aivojen liikealueelle

Erikoisvalmisteinen ompelukone ompelee jopa 96 lankaa, joiden paksuus on vain kymmenesosa hiuksesta, motoriseen keskukseen, joka tulkitsee hermoimpulsseja. Langat ovat johtokimppuja, joissa on 32 elektrodia. Ne ommellaan 0,05 millimetrin välein, ja elektrodimääräksi tulee 3 072.

© Claus Lunau /Shutterstock

Elektrodit rekisteröivät aivojen aikeet

Motorinen keskus lähettää hermoimpulsseja jo ennen liikkeen alkamista eli siinä vaiheessa, kun henkilö ajattelee esimerkiksi käden liikuttamista. Motorisen keskuksen elektrodit ottavat vastaan kaikki ne hermoimpulssit, jotka liittyvät aiotun käden liikkeen suorittamiseen.

© Claus Lunau/Shutterstock

Aivot muuttavat aikomuksen ohjeiksi

Ohuet johdot on yhdistetty tietokoneena toimivaan mikrosiruun, joka on kiinnitetty ihon alle pääkoppaan.

© Claus Lunau/Shutterstock

Robottikäsi liikkuu

Virtapiirit muuttavat hermoimpulssit sähkösignaaleiksi, jotka välittyvät konekäteen. Kun henkilö alkaa
ajatella käden liikuttamista, siru komentaa robottikättä tottelemaan.

Parempi vaihtoehto olisi rekisteröidä vapinaa aiheuttava motorisen keskuksen toiminta, mutta tavoitteeseen voidaan päästä vain nykyistä paljon suuremmalla elektrodimäärällä.

Neuralinkin uusi hiottu tekniikka enteilee kauan odotettua murrosvaihetta.

Apuvälineet ajatusohjauksessa

Aivosirusta on muuhunkin kuin sairauksien parantamiseen. Tekniikka tekee mahdolliseksi koneiden, kuten proteesina toimivien robottiraajojen, ohjaamisen ajatuksilla.

Robotiikkainsinööri Christian Peñaloza japanilaisesta Advanced Telecommunications Research Institute Internationalista osoitti vuonna 2018, että koehenkilö kykeni ohjaamaan koneraajaa samalla, kun hän käytti omia käsiään.

Kokeessa pidettiin päässä eräänlaista suihkumyssyä, jonka elektrodit ottivat vastaan kallon läpi aivoaaltoja.

Tällainen päähine ei ole yhtä herkkä kuin aivosiru, ja Neuralinkin yli 3 000 elektrodin tekniikka, jossa mitataan yksittäisiä hermoimpulsseja, antaakin paljon tarkemman kuvan aivojen tapahtumista.

Ihminen ja kone yhdistyy: Katso, miten Elon Musk esittelee Neuralinkiä