Kuva: Walk Again Project
Kuva: Walk Again Project

Päälle puettava eksokeho kääntää liikeajatukset askeliksi.

Jalkapallohullulla neurofysiologilla Miguel Nicolelisillä on vuosia ollut unelma. Kun jalkapallon maailmanmestaruuskisat 12. kesäkuuta 2014 käynnistyvät hänen kotimaassaan Brasiliassa, vieläpä kotikaupungissaan São Paolossa, seremoniallisen avauspotkun kävelee antamaan liikuntakyvytön nuori nainen tai mies, joka ohjaa itseään ajatuksillaan. Hän pystyy tähän, sillä hänellä on aivoissaan mikrosiru, joka poimii liikesignaaleja, ja päällään ulkoinen tukiranka, eksokeho, joka toteuttaa liikkeet.

Tieteisfantasia, jossa halvaantunut vapautuu vammastaan, muuttuu todeksi satojen miljoonien televisionkatsojien edessä.

Nicolesis ei ole nähnyt silkkaa päiväunta. Itse asiassa yhdysvaltalaisen Duke-yliopiston professori ja kansainvälisen Walk Again -eksokehohankkeen johtaja on neuroproteesien pioneeri, joka on päässyt pitkälle ajatuksin ohjattavassa robotiikassa.

Mainetta apinakokeilla

Jos olet seurannut neuroproteesien kehitystyötä, saatat muistaa, että Nicolelis on tutkija, joka 2000-luvun taitteessa onnistui ensimmäisenä maailmassa välittämään apinan aivokuorelta liikesignaalit tietokoneeseen, muuntamaan ne matemaattisen laskentaohjelman avulla digitaalisiksi komennoiksi ja niillä liikuttamaan robottikättä. Pari vuotta myöhemmin hän saavutti oikein maailmanmainetta, kun hänen apinansa oppivat siirtelemään tietokoneen kursoria ajatuksen voimalla.

Sittemmin halvaantuneet ihmiset ovat pelkästään liikkeitä kuvittelemalla käyttäneet tietokonetta, pyörätuolia, televisiota ja robottikättä. Koko vartaloa tukevan eksokehon hallintaan nämä sinänsä merkittävät saavutukset eivät kuitenkaan riitä. Siksi Nicolelis on 2000-luvun puolimaista kulkenut myös ”vastavirtaan”, kehittänyt neurosiruja, jotka välittävät ärsykkeitä ulkomaailmasta aivokuoreen.

Nicolelisin mukaan proteesista ei ole todellista iloa ilman kaksisuuntaista liikennettä. Käyttäjän on tunnettava esine kädessään tai maa jalkojensa alla, muuten hän ei tiedä, pitääkö ote tai onko askel kohdallaan.

Soluja tarvittiin lisää

Monet neurotutkijat ovat pitäneet Nicolesin aikataulua yltiöpäisenä, sillä ihmisen ja koneen liitäntätekniikka edistyy hissukseen. Nicolelis ei ole ollut epäilyistä moksiskaan.

Helmikuussa 2013 Yhdysvaltain tiedeviikolla Bostonissa luennoi luottavainen mies, joka ei edes katsonut tavoittelevansa ihmeitä vaan ainoastaan hyödyntävänsä aivojen suurenmoista muovautuvuutta. Hänen käsityksensä mukaan aivot eivät vierasta ulkoista tukirankaa vaan alkavat harjoittelun jälkeen pitää sitä kehon laajennoksena.

Apinakokeissaan Nicolelis oli tuolloin lukenut jo parintuhannen hermosolun toimintaa. Eksokehon joustavaan hallintaan soluja tarvitaan kuitenkin tuhansia lisää. Nicolelis ei pitänyt sitä ongelmana. Itse asiassa hänen laboratorioinsinöörinsä olivat valmiit aloittamaan kymmenentuhannen neuronin kuuntelun.

Aika kävi vähiin

Kevään 2014 kuluessa on kuitenkin käynyt ilmi, että Nicolelis on päättänyt tinkiä unelmastaan. Seremoniallisen avauspotkun antajalla ei ole aivoissaan tiettyä neuronijoukkoa seuraavaa mikrosirua vaan päässään lakki, jonka elektrodit mittaavat koko aivojen sähköistä toimintaa.

Neuronien luentaan soveltuva siru olisi kyllä Nicolelisin mukaan ollut valmis, mutta turvallisuussyistä on parempi nojata vanhaan ja koeteltuun menetelmään. Tutkijat eivät ennättäneet varmistaa, etteivät tv-kamerat ja massiivisen yleisön älypuhelimet mitenkään pysty häiritsemään suoraan hermostoon istutettua tekniikkaa.

Nicolelisin mukaan tappio ei ole suuren suuri, sillä eeg:stä saa irti jalkojen liikuttamiseen tarvittavat käskyt. Tämä on selvinnyt, kun kolme pioneeritehtävään valmistautuvaa vammaista on harjoitellut proteesin ohjausta ajatuksen voimalla. Kokelaat ottivat ensimmäiset askeleensa huhtikuussa, ja Nicolelis uskoo, että Sāo Paolon stadionilla nähdään maailman ensimmäinen ”eksopalloilija”.

Soraääniäkin on kuulunut. Jotkut paheksuvat sitä, että Nicolelis tekee tieteestä showʼta, toiset sitä, että hän nostattaa maailman vammaisissa liian suuria toiveita liian varhain. Heitäkin on, jotka epäilevät tekniikan edistyksellisyyttä. Skeptisimmät sanovat, että proteesi voi ohjata ihmistä eikä ihminen proteesia.

Onko kritiikkiin ollut aihetta, selviää torstai-iltana 12. kesäkuuta, ennen kuin ensimmäinen ottelu kello 23 Suomen aikaa alkaa. Jos alkuperäisessä suunnitelmassa ei ole muuttunut muuta kuin neurosiru vaihtunut elektrodipäähineeksi, sopii odottaa jotain, mitä ennen ei ole nähty.

Ajatus muuttuu liikkeeksi

1 Proteesin kantajalla on kypäränsä alla lakki, jonka 32 elektrodia rekisteröivät aivojen sähköiset hermosignaalit.

2 Signaalit matkaavat langattomasti proteesin selkään mikroprosessoreihin. Ne seulovat esiin liikeajatukset ja kääntävät ne digitaalisiksi komennoiksi, joita proteesin liikeohjelma ymmärtää.

3 Jalkanivelissä sijaitsevat liikeohjaimet toteuttavat liikekomennot.

4 Jalkaterissä anturit aistivat sekä liikkeen että kosketuksen maahan ja palloon ja välittävät tuntemukset pelipaitaan.

5 Pelipaidassa anturit muuntavat saapuvan palautteen värinäksi, jonka käsivarren ihon tuntohermot aistivat.

6 Aivoissa tuntoaivokuori tunnistaa värinän liikkeeksi, askeleeksi tai potkuksi. Proteesin käyttäjä tuntee, mitä tekee.

Virtansa eksokeho saa akuista, joiden lataus riittää kahdeksi tunniksi. Tasapainoa pitävät yllä gykoskoopit. Kuva: Walk Again Project

Luvassa uusi maailma

Tapahtuu Sāo Paolossa mitä tahansa, halvaantunut avauspotkun antaja on vasta esimakua tulevaisuudesta. Nicolelisin mukaan neuroproteesit vielä vapauttavat meidät kaikki kehomme kahleista. Hänen visiossaan me ohjaamme ajatuksillamme robotteja vaarallisissa paikoissa tai liikumme avatareina vieraissa maailmoissa.

Nämäkään ajatukset eivät ole pelkkää spekulointia. Nicolelisin apinat ovat jo juoksuttaneet robottia Japanissa ja tunnustelleet virtuaaliapinoiden käsin virtuaalikohteita.

Nicolelis uskoo, että jonakin päivänä neuroproteesit laajentavat myös aistejamme. Tässäkin hän on tehnyt läpimurron. Hän on asentanut rottien tuntoaivokuoreen infrapuna-anturit ja saanut rotat aistimaan näkymätöntä lämpösäteilyä viiksillään. Nicolelisin mukaan siirtymä aistista toiseen osoittaa, että aivot ovat luultuakin joustavammat. Ne voivat oppia asioita, joita eivät ole koskaan kokeneet.

Lopulta voimme unohtaa myös tekstiviestit ja tviittaukset, sillä jopa ajatusten jakaminen mahdollistuu. Nicolelisin rotat ovat siihen jo pystyneet.

Maaliskuussa 2013 hänen ryhmänsä julkaisi Scientific Reports -lehdessä tutkimuksen, jossa viesti todistettavasti ensimmäisen kerran maailmanhistoriassa siirtyi suoraan aivoista aivoihin, vieläpä tuhansien kilometrien takaa. Brasiliassa tuntoaistikokeita tehneen rotan neurosiru välitti tehtävät hermosignaaleina lajitoverin siruun Yhdysvaltoihin – ja toveri onnistui toistamaan kokeet, ihan itse, ilman tutkijoiden apua.

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Alkuperäinen artikkeli on julkaistu Tiede-lehdessä 3/2013.
Teksti on päivitetty 6.6.2014.