Pelkkä puhumisen kuvittelu voi pian tuottaa puhetta – neuroteknologia etsii kiivaasti vastausta siihen, kuinka ajatuksemme tallentuvat aivoissa

Professori Arto Nurmikon työhuoneen seinällä on kartta Turun saaristosta. Kartalla näkyy punaisia pisteitä, jotka auttavat veneilijöitä navigoimaan Saaristomerellä. Samanlaisen kartan Nurmikko haluaa luoda ihmisaivoista. Tässä kartassa punaisten pisteiden paikat merkitsevät kohtia, jotka auttavat aivotutkijoita navigoimaan ihmismielessä.

Nurmikon työhuone sijaitsee kaukana Turun saaristosta. Nurmikko työskentelee tekniikan ja fysiikan professorina arvostetussa Brownin yliopistossa Yhdysvaltain itärannikolla.

Viime vuodet Nurmikko on kehittänyt konseptia, jossa hermosolujen toimintaa tarkkaillaan eri puolille aivokuorta ripoteltavien mikrosirujen avulla. Näitä suolakiteen kokoisia siruja kutsutaan neurojyviksi.

– Ajatusta voidaan verrata kokoelmaan pieniä kännyköitä, jotka asennetaan aivokuorelle. Yksittäiset kännykät keräävät tietoja neuroneista ja lähettävät ne langattomasti eteenpäin, pitkän uran Yhdysvalloissa tehnyt Nurmikko kuvailee.

Lopuksi neurojyvien lähettämät signaalit kootaan yhteen, jolloin toiminnan, esimerkiksi käden liikuttamisen, aikaansaama hermosolujen sinfonia saadaan tallennettua kokonaisuudessaan.

– Yleisesti tiedetään, että tietyt alueet aivoissa hallitsevat liikkumista, näkemistä, kuulemista ja niin edelleen. Kaikki nämä alueet ovat kuitenkin yhteydessä toisiinsa. Se on ikään kuin joukko pienempiä verkostoja osana suurempaa verkostoa, Nurmikko kertoo.

Nurmikon johtaman tutkijaryhmän tavoitteena on luoda teknologia, joka mahdollistaa tämän koko aivot kattavan verkoston tarkkailun mahdollisimman tarkasti ja ketterästi.

Robottikäsi liikkuu jo ajatuksen voimalla

Neuroteknologia on ottanut tällä vuosituhannella isoja harppauksia. Yksi läpimurto tapahtui vuonna 2003, kun Duken yliopiston tutkijat saivat kaksi reesusapinaa ohjaamaan robottikättä ajatuksen voimalla. Apinoiden aivoihin asennetut elektrodit välittivät liikesignaalit tietokoneelle, joka muutti ne komennoiksi ohjata kättä.

Kymmenen vuotta myöhemmin Washingtonin yliopiston tutkija onnistui liikuttamaan viereisessä huoneessa olevan kollegan kättä niin ikään ajatuksen voimalla. Tässä kokeessa liikesignaali välittyi aivosähkökäyrälaitteen kautta.

Nykyään liikuntakykynsä menettäneet henkilöt pystyvät laboratorio-olosuhteissa liikuttamaan robottikättä tai hiiren kursoria.

Nurmikko arvelee, että seuraavaksi ajatuksen voimalla saatetaan pystyä muodostamaan puhetta. Toisin sanoen pelkkä puhumisen kuvittelu riittäisi välittämään puheen sisällön.

Myös tuntoaistimusten nauhoittaminen saattaa olla mahdollista jo lähitulevaisuudessa.

– Neurojyvät ovat tästä seuraavan sukupolven teknologiaa, Nurmikko painottaa.

Matkan varrella on monia pulmia ratkaistavana. Jo pelkästään tarpeeksi pienten ja tehokkaiden mikrosirujen valmistaminen on haastavaa.

Tutkijoiden pitää myös löytää tehokas keino, jolla mikrosirujen keräämät tiedot saadaan kerättyä yhteen. Nurmikon mukaan tässä voidaan hyödyntää nykyistä puhelinverkkoteknologiaa.

– Ja sen jälkeen hermosolujen kieli pitää vielä dekoodata, jotta ymmärrämme, mitä kaikkea aivotoiminta tarkoittaa, Nurmikko kertoo.

Tavoitteena tuhansia siruja aivokuorella

Aivosignaalien dekoodaaminen on yhdistelmä tiedettä ja taidetta. Pelkkä signaalin havaitseminen ei riitä, se pitää myös ymmärtää.

Tulkinnat tehdään aina rajatusta määrästä signaaleja, sillä ihmisaivoissa on yli 80 miljardia neuronia eikä niitä kaikkia voida tarkkailla.

Tällä hetkellä Nurmikon tutkimusryhmä selvittää, kuinka monta neurojyvää aivojen pinnalle pitää ripotella tarvittavan kattavuuden saavuttamiseksi. Se tiedetään, että puhutaan tuhansista jyvistä.

Tällaista määrää mikrosiruja ei ruiskuteta neulojen avulla aivokuorelle, vaan operaatio pitää hoitaa avaamalla kallo. Tämä ei ole poikkeuksellinen menetelmä alalla nykypäivänä, Nurmikko huomauttaa.

Tähän mennessä neurojyviä on kokeiltu rotalla, jonka aivokuoreen asennettiin 48 neurojyvää. Kokeessa rotan aivokuoren aktiivisuutta onnistuttiin nauhoittamaan mikrosirujen avulla.

Koneen ja ihmismielen symbioosi ei ole vielä täällä

Neuroteknologia on viime vuosina noussut mediassa esille miljardööri Elon Muskin visioiden kautta. Musk perusti viisi vuotta sitten Neuralink-nimisen yhtiön kehittämään ihmisen ja tietokoneen yhdistävää aivokäyttöliittymää.

Yksinkertaistettuna Neuralink pyrkii yhdistämään ihmisaivot tietokoneeseen ja lopulta parittamaan ihmismielen tekoälyn kanssa.

Neuralink on esitellyt kehitystyönsä tuloksia muutamaan otteeseen. Viime vuonna yhtiö talutti lavalle Gertrude-sian, jonka aivoihin asennettu reilun kahden sentin kokoinen siru mittasi eläimen hermoston toimintaa.

Sian aivoihin asennetusta mikrosirusta on vielä pitkä matkan ihmisen ja koneen symbioosiin, huomauttaa Aalto yliopiston teknillisen fysiikan professori Risto Ilmoniemi. Muskin kokeilut ovat Ilmoniemen mielestä mielenkiintoisia, mutta tieteellisesti ne eivät tarjoa paljoakaan uutta.

Ilmoniemi nostaa esimerkiksi espanjalaisen neurofysiologian professorin José Manuel Rodríguez Delgadon, joka jo 1960-luvulla onnistui pysäyttämään kohti hyökkäävän härän eläimen aivoihin asennetun kauko-ohjattavan stimulaattorin avulla.

Vaikka tieteellisesti Musk ei ole yllättänyt tutkijoita, hänen kehittämänsä teknologia voi viedä koko alaa eteenpäin.

– Kaksisuuntainen supernopea kommunikaatio ilman ajatusten koodaamista kielelliseen muotoon ihmisen ja tietokoneen välillä tai ihmisten välillä ei tule onnistumaan Muskin tavoittelemalla tavalla ainakaan tällä vuosisadalla, mutta Muskin kehittämästä teknologiasta voi olla hyötyä erilaisissa hoidoissa, Ilmoniemi pohtii.

Neurostimulaatio on arkipäivää sairaanhoidossa

Vaikka Muskin villit visiot eivät ole vielä toteutumassa, neuroteknologian hyödyntäminen on jo arkipäivää sairaanhoidossa.

Esimerkiksi Parkinsonin taudin oireita on hoidettu aivostimulaattoreilla jo 1990-luvulta lähtien. Suomessa laitteita asennetaan vuosittain 50-100 kappaletta Parkinson-potilaiden aivoihin.

Aivojen syvästimulaatiohoidossa liikkeitä hallinnoivalle alueelle asennetaan elektrodeja, jotka johtavat sähkövirtaa.

– Kun lanka laitetaan oikeaan paikkaan ja sähköstimulaatio käynnistetään, vapina lakkaa välittömästi. Se parantaa potilaiden elämänlaatua moneksi vuodeksi, Ilmoniemi kuvailee.

Neuroteknologiaa hyödynnetään myös masennuksen hoidossa. Näissä hoidoissa potilaalle annetaan tuhansia sähkömagneettisia pulsseja tietylle alueelle, jolloin aivotoiminto tällä alueella saadaan vilkastumaan.

Hoito auttaa monia vaikeasta masennuksesta kärsiviä.

Ilmoniemi huomauttaa, että magneettistimulaatiossa ei tarvitse tehdä leikkausta, mikä madaltaa hoidon aloittamisen kynnystä huomattavasti. Lisäksi neurostimulaatiossa hoito kohdistetaan tarkasti. Lääkehoidossa aineita leviää ympäri kehoa.

Tekoäly tarjoaa edistymistä ilman ymmärrystä

Seuraava askel magneettistimulaatiossa on useamman paikan stimulointi samanaikaisesti.

– Vertaan sitä pianonsoittoon. Jos soitat yhdellä sormella yhtä nuottia, niin se on todella tylsää. Mutta jos soitat kymmenellä sormella, niin saat paljon elävämpää musiikkia, Ilmoniemi sanoo.

Ilmoniemen johdolla Aalto-yliopiston tutkijat yhdessä saksalaisten ja italialaisten kollegojensa kanssa yrittävät nyt selvittää, missä järjestyksessä koskettimia pitäisi soittaa.

– Tällä hetkellähän ei tunneta sitä koodia, jolla informaatio liikkuu ja tallentuu aivoissa. Kyllä siitä jotain tiedetään ja yksittäisiä hermosoluja ymmärretään hyvin. Mutta sitä kokonaisuutta, miten ajatuksemme on koodattu, niin sitä ei tiedetä, Ilmoniemi kertoo.

Saman pulman kanssa painivat sekä Neuralinkin että Nurmikon tutkimusryhmät.

– Käden liikuttaminen vaatii tietyn määrän neuroneja. Pianon soittaminen pelkästään mekaanisena suorituksena vaatii huomattavasti enemmän. Keskusteleminen ja vuorovaikuttaminen nostavat tarvittavien neuronien määrän miljardeihin, Nurmikko kuvailee mittasuhteita.

On siis tärkeää löytää malli, joka auttaa ymmärtämään aivoverkostojen yhteyksiä. Malli, joka auttaa navigoimaan punaiselta pisteeltä toiselle Nurmikon kartalla.

Tulevaisuudessa tekoäly saattaa auttaa tässä etsimällä korrelaatioita esimerkiksi puheen ja aivosignaalien väliltä. Toisaalta silloin ymmärrys vain siirtyy yhdestä mustasta laatikosta toiseen mustaan laatikkoon.

– Voimme edistyä ilman että ymmärrämme, Ilmoniemi naurahtaa.