Äänen menettäminen tai kyvyn kirjoittaminen yksinkertaiseen viestiin voi tarkoittaa paljon enemmän kuin fyysistä rajoitusta vakavasta halvaantumisesta kärsivälle : se tarkoittaa itsenäisyyden, ihmissuhteiden ja suurelta osin myös elämänsuunnitelmien heikkenemistä. Viime vuosina neuroteknologia on keskittynyt tähän ongelmaan ja etsinyt tapoja, joilla nämä ihmiset voivat kommunikoida uudelleen turvautumatta hitaisiin ja uuvuttaviin järjestelmiin.
Tässä yhteydessä yhdysvaltalainen tutkimusryhmä on onnistuneesti testannut implantoitavaa aivojen ja tietokoneen välistä rajapintaa , joka pystyy muuttamaan sormien liikkeet tekstiksi virtuaalisella näppäimistöllä. Laitetta, joka on vielä kokeiluvaiheessa, on testattu kahdella lähes täydellisesti halvaantuneella henkilöllä, ja sillä on saavutettu kirjoitusnopeus ja -tarkkuus, joka on lähellä motorisesti heikentymättömän henkilön tasoa.
Neuroproteesi, joka muuntaa kirjoitusyritykset kirjaimiksi
Työn ovat kirjoittaneet Bostonissa sijaitsevan Mass General Brigham Neuroscience Instituten ja Brownin yliopiston tutkijat , jotka ovat tehneet vuosia yhteistyötä BrainGate-konsortiossa, joka on aivojen ja tietokoneiden välisten rajapintojen kehittämiseen halvaantuneille tarkoitettu aloite . Tiedelehdessä Nature Neuroscience julkaistu uusi tutkimus kuvaa kirjoittamiseen tarkoitetun neuroproteesin, joka ei liikuta kursoria, vaan käyttää lähtökohtana perinteistä QWERTY-näppäimistöä.
Tämän saavuttamiseksi tutkijat istuttavat mikroelektrodiantureita motoriseen aivokuoreen , aivojen alueelle, joka osallistuu tahdonalaisten käden ja sormien liikkeiden säätelyyn. Nämä mikroelektrodit havaitsevat sähköisen toiminnan, jota tapahtuu, kun henkilö yrittää henkisesti liikuttaa sormiaan painaakseen näppäintä, vaikka hänen kehonsa ei pystyisi suorittamaan elettä vamman vuoksi.
Osallistujalle näytetään tavallinen QWERTY-näppäimistö sekä sormien kaaviokuva. Jokainen kirjain on liitetty tiettyyn sormien asentojen yhdistelmään (esim. ylös, alas tai koukussa). Kun käyttäjä kuvittelee nämä liikkeet, elektrodit poimivat hermosignaalin ja lähettävät sen tietokoneelle, joka muuntaa sen tekstimerkeiksi.
Prosessi ei lopu tähän: dekooderin tuotos käy läpi ennakoivan kielimallin , joka on samanlainen kuin matkapuhelimien automaattinen korjaus, ja auttaa korjaamaan virheitä ja täydentämään sanoja, jotta lopullinen lause on johdonmukainen ja mahdollisimman uskollinen potilaan tarkoitukselle.
Kaksi potilasta, joilla on vaikea halvaus testitapauksena
Tutkimukseen osallistui kaksi henkilöä, joilla oli erittäin pitkälle edennyt halvaus : toisella oli pitkälle edennyt amyotrofinen lateraaliskleroosi (ALS) ja toisella kaulan selkäydinvamma , joka aiheutti tetraplegian. Molemmat osallistuivat BrainGate-kliiniseen ohjelmaan ja suostuivat testaamaan uutta kirjoitusneuroproteesia.
Mikroelektrodi-implantaation jälkeen vapaaehtoiset kävivät läpi lyhyen koulutuksen järjestelmän kanssa. Noin 30 kalibrointilausetta riitti , jotta ohjelmisto pystyi säätämään dekoodausalgoritmejaan kunkin henkilön hermosignaaleihin. Tämän jälkeen heitä pyydettiin kirjoittamaan viestejä käyttämällä vain yrityksiä liikuttaa sormiaan näytöllä näkyvällä virtuaalinäppäimistöllä.
Tulokset olivat huomattavia nopeuden ja tarkkuuden vuoksi. Yksi osallistuja saavutti huippunopeuden 110 merkkiä minuutissa , mikä vastaa noin 22 sanaa minuutissa, ja sanavirheprosentti oli 1,6 %. Tämä virheprosentti on samanlainen kuin fyysisellä näppäimistöllä tai älypuhelimen näytöllä kirjoittavan henkilön.
Toinen vapaaehtoinen, jolla oli pitkälle edennyt ALS-tauti ja joka tarvitsi mekaanista ventilaatiota, onnistui myös tuottamaan ymmärrettäviä lauseita järjestelmän avulla, vaikkakin hieman hitaammin. Hänen tapauksessaan tämän edistysaskeleen merkitys on erityisen huomionarvoinen, sillä hän oli menettänyt kokonaan puhekyvyn eikä pystynyt käyttämään perinteisiä apuvälineitä ilman valtavaa ponnistelua.
Erityisen tärkeä osa tutkimusta oli se, että molemmat potilaat pystyivät käyttämään laitetta omissa kodeissaan , eivätkä ainoastaan sairaala- tai laboratorioympäristössä. Tämä viittaa siihen, että jatkokehityksen myötä teknologiaa voitaisiin integroida jokapäiväisiin tukijärjestelmiin, jotta vaikeasti halvaantuneet voivat kommunikoida kotoa käsin perheenjäsenten, hoitajien tai terveydenhuollon ammattilaisten kanssa.
Miksi tämä käyttöliittymä eroaa nykyisistä järjestelmistä
Nykyään monet halvaantuneet, jotka säilyttävät jonkin verran silmänseurantaa, käyttävät katseenseurantalaitteita . Näiden järjestelmien avulla he voivat valita kirjaimia tai kuvakkeita liikuttamalla silmiään näytöllä, mutta potilaiden itsensä kuvailemien laitteiden olevan hitaita, väsyttäviä käyttää ja alttiita virheille. Monissa tapauksissa käyttäjät päätyvät hylkäämään ne niiden aiheuttaman turhautumisen vuoksi.
BrainGate-neuroproteesi lähestyy asiaa eri tavalla: katseen seuraamisen tai kursorin liikuttamisen ajatuksen avulla sijaan se keskittyy sormen liikkeiden dekoodaamiseen näppäimistöllä, joka on tuttu lähes kenelle tahansa lukutaitoiselle. Tällä strategialla on kaksi selkeää etua: ensinnäkin se antaa käyttäjille mahdollisuuden hyödyntää motorista muistia, jonka monet ovat kehittäneet vuosien varrella fyysisten näppäimistöjen käytössä; toiseksi se mahdollistaa nopeammat kirjoitusnopeudet kuin muut augmentatiiviset ja vaihtoehtoiset kommunikaatiojärjestelmät (AAC).
Lisäksi tekoälyalgoritmien käyttö sekä hermosignaalin dekoodauksessa että kielimallissa parantaa tarkkuutta vaatimatta käyttäjältä liiallista kognitiivista ponnistelua. Käyttäjän ei tarvitse "ajatella yksittäisiä kirjaimia", vaan pikemminkin kuvitella sormiensa liikuttamista aivan kuin hän kirjoittaisi.
Tutkimusryhmän mukaan tämä implantoitavien sensoreiden, edistyneen signaalinkäsittelyn ja kielimallien yhdistelmä tekee aivojen ja tietokoneiden välisistä rajapinnoista yhä vankemman vaihtoehdon olemassa oleville ratkaisuille, ainakin tietylle potilasryhmälle, jolla on vaikea halvaus ja joka ei löydä riittävää vastetta perinteisissä järjestelmissä.
BrainGate-konsortion rooli ja tulevaisuuden ennusteet
Tämän neuroproteesin kehittäminen on osa BrainGate -konsortion työtä , joka on vuodesta 2004 lähtien koonnut yhteen neurologeja, neurotieteilijöitä, insinöörejä, tietojenkäsittelytieteilijöitä, neurokirurgeja, matemaatikkoja ja muita asiantuntijoita eri akateemisista laitoksista. Heidän yhteisenä tavoitteenaan on luoda teknologioita, jotka mahdollistavat neurologisista sairauksista, selkäydinvammoista tai amputaatioista kärsivien ihmisten menettämien toimintojen palauttamisen .
BrainGate on viimeisten kahden vuosikymmenen ajan osoittanut kontrolloiduissa kokeissa, että aivojen ja tietokoneiden välisiä rajapintoja voidaan käyttää kursoreiden, robottikäsivarsien tai ulkoisten laitteiden ohjaamiseen aivotoiminnan avulla. Äskettäin julkaistu läpimurto keskittyy erityisesti kirjalliseen viestintään, joka on keskeinen osa-alue niille, jotka ovat menettäneet sekä puhekyvyn että kyvyn käyttää fyysistä näppäimistöä.
Tutkimuksesta vastaavat korostavat, että teknologia on vielä tutkimusvaiheessa. Ratkaisemattomia kysymyksiä ovat muun muassa implanttien kestävyys , signaalien vakaus ajan kuluessa, leikkaukseen liittyvät mahdolliset riskit, kotikäyttöisten järjestelmien helppokäyttöisyys ja niiden yhteensopivuus terveydenhuollon rahoituksen, mukaan lukien eurooppalaisten järjestelmien, kanssa.
Näistä varotoimista huolimatta tiimi uskoo, että laite avaa teollisuudelle mahdollisuuden kehittää keskipitkällä aikavälillä kaupallisia versioita neuroproteeseista, jotka on mukautettu erityyppisistä halvauksista kärsiville potilaille. Konsortio korostaa, että akateemisten keskusten ja yritysten välinen yhteistyö on avainasemassa näiden kokeellisten tulosten muuntamisessa todellisiksi kliinisiksi ratkaisuiksi.
Merkitys eurooppalaisille potilaille ja tulevat haasteet
Vaikka tutkimus tehtiin Yhdysvalloissa, sen vaikutukset ovat suoraan relevantteja ALS-tautia, selkäydinvammaa tai aivohalvausta sairastaville ihmisille Euroopassa, mukaan lukien Espanjassa, missä väestön ikääntyminen ja hermostoa rappeuttavien sairauksien lisääntyminen lisäävät viestintäaputeknologioiden kysyntää vuosi toisensa jälkeen.
Terveydenhuoltojärjestelmissä, kuten Espanjassa, joissa on vahva julkinen komponentti, tällaisia kehitysaskeleita arvioidaan yleensä paitsi niiden kliinisen tehokkuuden myös kustannustehokkuuden ja neurologisen kuntoutuksen ja kotihoidon verkostoihin integroitavuuden perusteella . Aivo-tietokone-rajapintojen toimivuus kotiympäristöissä suosii niiden tulevaa käyttöönottoa, edellyttäen, että laitteita yksinkertaistetaan ja komponenteista tulee edullisempia.
Tulevaisuutta ajatellen tutkijat ehdottavat useita parannuskeinoja. Yksi on räätälöityjen näppäimistöjen tai steganografiajärjestelmien käyttöönotto , jotka mahdollistaisivat entistä nopeamman kirjoittamisen, tai toinen on hyödyntää samaa teknologiaa yläraajojen halvaantumisesta kärsivien ihmisten kurotus- ja tarttumisliikkeiden palauttamiseksi jo tunnistettujen hermostollisten aktiivisuusmallien avulla.
On myös puhuttu näiden käyttöliittymien yhdistämisestä muihin tukityökaluihin, kuten näytönlukijoihin, ääniavustajiin tai kodin automaatiolaitteisiin, tavoitteena luoda esteettömämpiä asuinympäristöjä pyörätuolia käyttäville tai jatkuvaa hoitoa tarvitseville. Kaikkea tätä ohjaa sama periaate: ihmisen aivojen yhdistäminen ympäröivään maailmaan, kun hänen kehonsa on lakannut reagoimasta.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä uusi kliininen tutkimus osoittaa, että implantoitava aivojen ja tietokoneen välinen rajapinta voi tarjota vaikeasti halvaantuneille ihmisille nopean, tarkan ja vakaan kirjallisen viestinnän muodon jokapäiväiseen käyttöön. Tämä on tärkeä askel kohti ratkaisuja, jotka paitsi pidentävät elämää, myös mahdollistavat suuremman autonomian ja sosiaalisen vuorovaikutuksen.