Tutkijat kehittävät uutta aivoteknologiaa kuntoutuksen avuksi – potilas voisi ohjata laitteita ajatuksen voimalla

Aalto-yliopistossa helmikuussa alkaneen hankkeen tavoitteena on hyödyntää potilaan omaa aivotoimintaa neurologisten sairauksien hoidossa. Tutkimuksessa kehitettävä aivokäyttöliittymä (brain–computer interface, BCI) toimii mittaamalla potilaalta sähköisiä signaaleja, jotka syntyvät hänen ajatellessaan motorisia liikkeitä, ja muuttamalla nämä signaalit tietokoneen käskyiksi.

Aivojen magneettistimulaatio (transcranial magnetic stimulation, TMS) voi synnyttää aivoihin aktivoivan sähkövirran ja saada stimulaation avulla aikaiseksi vaikkapa peukalon liikahduksen. Hankkeessa hyödynnetään – ja sen tekee mahdolliseksi Aallossa kehitettävä robottiavusteinen ja monipaikkainen TMS-teknologia (mTMS), jossa robotti voi ohjata pulsseja aivojen yhdestä osasta toiseen vain sekunnin murto-osassa ja stimuloida aivoja monesta kohdasta samanaikaisesti. Tutkijat hyödyntävät aivojen sähköisten signaalien mittaamiseen myös yhteistyökumppaniyritys Bittium Biosignalsin kehittämää aivosähkökäyrää (EEG). Tutkimushanketta johtaa Aalto-yliopiston neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitoksen tutkija, dosentti Pantelis Lioumis.

”Tavoitteena on, että potilas voisi ohjata monenlaisia laitteita ajatuksen voimalla, esimerkiksi kuvittelemalla liikuttavansa kättään. Yksilöllisen kuntoutusteknologian avulla pystyisimme lukemaan potilaan aivoista hänen aikomuksensa reaaliaikaisesti ja hyödyntää sitä motorisessa kuntoutuksessa”, Lioumis kertoo.

Hankkeessa hyödynnettävä EEG-teknologia mahdollistaa datan reaaliaikaisen striimauksen. Tämän ansiosta potilas voi ajatustensa – ja aivosignaaliensa – ohjaamana stimuloida aivojaan mTMS-teknologiaa hyödyntäen.

TMS:n avulla voidaan esimerkiksi aiheuttaa käden, kasvojen tai jalan liikkeitä. Tällä tavoin uusi hanke liittyy läheisesti Aallon professori Risto Ilmoniemen vetämiin ConnectToBrain ja mTMS-hankkeisiin, joissa on mukana joukko kansainvälisiä tutkijoita.

"Terapeutin sijaan aivoja stimuloi algoritmin ohjaama robotti, joka myös siirtää stimulaatiopaikkaa sähköisesti ja automaattisesti sen mukaan, miten aivot reagoivat. Jo laitteen nykyinen teknologinen kehitystaso mahdollistaa sen, että stimulaatiota voidaan ohjata samanaikaisten aivosignaalien perusteella”, sanoo Ilmoniemi.

Oikeaan aikaan ja oikeasta paikasta

On tärkeää, että aivoja stimuloidaan juuri oikeaan aikaan ja oikeasta paikasta, kun potilaalla on aikomus liikuttaa tiettyä raajaa. Haasteena on, että TMS-pulssin aiheuttama häiriösignaali EEG:ssä voi olla jopa kymmeniä tuhansia kertoja suurempi kuin aivosähkökäyrän signaali. TMS siis periaatteessa peittää aivosähkökäyrän.

”Meidän pitää saada kaivettua esiin alun perin näkymätön EEG-informaatio, tässä siis potilaan aikomus liikuttaa kättään. Sen vuoksi häiriösignaalin reaaliaikainen poistaminen on tärkeää”, sanoo Jukka Kinnunen, Bittium Biosignalsin myyntipäällikkö.

Lioumiksen mukaan vie aikaa tehdä algoritmeista kykeneviä saamaan reaaliaikaisesti selville, mitä raajaa potilas tarkalleen ottaen haluaa liikuttaa. Tässä työssä ovat mukana tutkijatohtori Ivan Zubarev ja väitöskirjatutkija Matilda Makkonen.

”Tämä on pitkälti matemaattisten menetelmien kehittämistä”, lisää Bittium Biosignalsin tuotepäällikkö Simo-Pekka Simonaho.

Apua myös masennuksen hoitoon?

Kuntoutuksen lisäksi uusi teknologia voisi olla hyödyllinen masennuksen hoidossa. Masennus ei ilmene vain yhdessä kohdassa aivoja vaan monen eri osan yhteisvaikutuksena. Siksi masennuksen tehokas hoitaminen TMS:n avulla vaatinee monimutkaisempia stimulaatiosarjoja, jotka ulottuvat samanaikaisesti aivojen eri osiin (linkki).

”Positiivisiin ja negatiivisiin ajatuksiin liittyviä aivotoimintoja on yleensä aivokuoren etuosassa, mutta se myös vaihtelee potilaiden välillä. Uuden teknologian avulla voisimme tarjota yksilöllistä terapiaa kullekin potilaalle, jolloin se on aiempaa tarkempaa ja tehokkaampaa”, Lioumis sanoo.

Hankkeessa työskentelevä tutkijatohtori Sabin Sathyan viettää ensin vuoden Aallossa ja sitten vuoden Bittium Biosignalsissa. Hanke vaatii onnistuakseen monen eri alan osaamista ja niiden yhdistelyä – muun muassa insinöörejä, neurologeja ja psykologeja. Brain-Computer Interface for Automated EEG-guided Brain Stimulation -hanketta rahoittaa Vaikuttavuussäätiö.