Kun algoritmi ottaa ohjat, aivojen magneettistimulaatiosta tulee nopeampaa ja tehokkaampaa. Menetelmä tuo uusia mahdollisuuksia muun muassa vakavan masennuksen ja kivun hoitoon.
Aalto-yliopiston professori Risto Ilmoniemellä on sympaattinen tapa: kertoessaan aivojen eri osista hän havainnollistaa puhetta osoittamalla kohtia omassa päässään.
Kaikkialla aivoissa tapahtuu taukoamatta, sillä reilun kilogramman painoinen elin liittyy oikeastaan kaikkiin ihmisen toimintoihin tunteista ajatuksiin ja liikkeistä peruselintoimintoihin. Kun esimerkiksi silmäilet tätä juttua, aivojen takaosassa oleva näköalue aktivoituu, ja kun vierität tekstiä eteenpäin, vauhtiin pääsevät liikehermosolut lähellä päälakea.
Arjessa harva meistä miettii aivojen maantiedettä, mutta Ilmoniemi on pohtinut sitä lähes koko mittavan uransa. Erityisesti häntä kiinnostavat tavat, joilla teknologiaa voidaan hyödyntää, kun jokin aivojen toiminnassa menee pieleen ja aiheuttaa ongelmia.
Ilmoniemi ja hänen kollegansa työskentelevät Aallon, italialaisen Chieti-Pescaran yliopiston ja saksalaisen Tübingenin yliopiston yhteisessä ConnectToBrain-projektissa. He ovat maailman johtavia transkraniaalisen magneettistimulaation eli TMS:n tutkijoita ja kehittäjiä. TMS-menetelmässä asetetaan kallon pinnalle magneettikeloja, jotka tuottavat ei-invasiivisia pulsseja. Näin aivokudokseen tuotetaan sähkökenttiä, joilla voidaan joko vahvistaa tai vaimentaa aivojen toimintaa.
Lääkärit hoitavat magneettistimulaatiolla esimerkiksi kipua ja vakavaa masennusta.
”Jos samaa aluetta tai kohtaa stimuloidaan monta kertaa, aivoissa tapahtuu muutoksia”, Ilmoniemi sanoo. Muutokset voivat olla myös pysyviä. Monissa sairauksissa lääkitys ei ole toimiva tai paras hoitokeino, ja näissä tilanteissa TMS tarjoaa varteenotettavan vaihtoehdon.
TMS on kuitenkin hoitomuotona vasta lapsenkengissä. Tällä hetkellä menetelmän käyttö vaatii vielä siihen erikoistuneen asiantuntijan. Hoito on aikaa vievää ja siten myös kallista, ja stimulaatiosarjat ovat toistaiseksi olleet verrattain yksinkertaisia.
Siksi Ilmoniemi ja hänen kollegansa kehittävät parhaillaan uutta laitesukupolvea, jonka avulla aivoja voidaan stimuloida monesta kohdasta samanaikaisesti tai nopeissa sarjoissa. Teknologiaa tukevat älykkäät algoritmit, jotka pystyvät lukemaan aivotoimintaa ja vastaamaan siihen lennosta. Tämä voisi paitsi parantaa nykyisen TMS-hoidon tehokkuutta myös mahdollistaa uusien sairauksien hoidon. Koska kelaa liikuttaisi ihmisen sijaan robotti ja stimulaatiosarjat annettaisiin algoritmien ohjaamina, TMS voitaisiin ottaa entistä laajemmin käyttöön sairaaloissa ja terveyskeskuksissa.
Ilmoniemi visioi, että tulevaisuudessa TMS voisi olla käytössä ympäri maailmaa pienemmissäkin hoitoyksiköissä ja joskus jopa kodeissa. Entistä älykkäämmät algoritmit auttaisivat tutkijoita ja lääkäreitä tunnistamaan uusia hyödyllisiä tapoja aivojen stimulointiin. Tämä avaisi hoidoille vielä tuntemattomia, lupaavia polkuja.
”Se tässä on unelmana. Sitä me toivomme”, hän sanoo.
TMS on kehittynyt pitkälle sitten 1980-luvun ensimmäisten kokeilujen. Kun brittitutkijat alkoivat käyttää magneettikeloja ihmisaivojen stimulointiin, he päättivät kelojen sijainnin käytännössä kokeilemalla – löytyisikö liikehermosoluja juuri tästä kohtaa kallon alta?
Vuosituhannen vaihteen tienoilla TMS:n apuna alettiin käyttää aivoien rakenteesta tarkan kuvan antavaa MRI-kuvantamista, mikä mahdollisti pulssien huomattavasti helpomman ja tarkemman kohdistamisen.
Sittemmin TMS:n tehoa eri sairauksiin on tutkittu sadoissa koesarjoissa. Lupaavimpia tuloksia on saatu potilailla, jotka kärsivät vakavasta masennuksesta, neuropaattisesta eli hermovauriokivusta, MS-taudista, fibromyalgiasta, Parkinsonin taudista tai aivohalvauksesta. Menetelmän mahdollisesta avusta skitsofrenian, pakkoneuroosien, riippuvuuksien ja traumaperäisten stressihäiriöiden hoidossa on myös saatu viitteitä useissa tutkimuksissa, ja uusia mahdollisuuksia ilmenee vuosittain. TMS voisi jonain päivänä auttaa hidastamaan jopa muistinmenetyksen puhkeamista Alzheimer-potilailla, jos tutkijat saavat selville tarkat aivoalueet ja pulssisarjat.
TMS-menetelmän saatavuus on nykyään parempi kuin koskaan ennen, mutta käyttö vaihtelee maittain lainsäädännön, sääntelyn ja osaamisen erojen takia. Menetelmää sovelletaan yhä laajemmin niin itsenäisenä hoitokeinona kuin muiden hoitojen tukena.
Selja Vaalto on kliinisen neurofysiologian erikoislääkäri HUSissa. Hän käyttää TMS:ää neuropaattisen kivun hoidossa esimerkiksi potilaille, jotka ovat saaneet halvauksen seurauksena aivovaurion ja toisen kehonpuolen kiputilan, mutta myös erikoisemmissa tapauksissa, kuten aavesäryissä, joissa potilas tuntee kipua kädessä tai jalassa amputaation jälkeen.
”He ovat potilaita, joita mikään muu ei ole auttanut”, Vaalto sanoo.
Lääkehoito ei useinkaan auta neuropaattiseen kipuun, joka on usein äärimmäisen kovaa – moni potilas arvioi kipunsa asteikolla 1–10 täydeksi kymmeneksi.
Vaalto kertoo, että potilaat aloittavat prosessin käymällä TMS-hoidossa kerran päivässä kahden viikon ajan. Potilaan pään pinnalle asetetaan 15 minuutiksi magneettipulsseja antava kela. Sairaalassa käytettävät laitteet on kehitetty Ilmoniemen perustamassa Nexstim-spin-off-yrityksessä.
Stimulaattori tuottaa joka sekunti 10 pulssin sarjan. Pulssit kohdistetaan niille aivojen alueille, joiden arvioidaan liittyvän kipuun. Ensimmäisen viikon aikana kohteena on liikeaivokuori. Jos tämä ei helpota kipua, hoito kohdistetaan sekundaariseen tuntoaivokuoreen.
TMS:ää käytetään HUSIssa myös masennuksen hoidossa, vaihtoehtona tai täydentävänä hoitona perinteiselle lääkehoidolle.
Vaalto myös auttaa kirurgeja valmistautumaan aivokasvainleikkauksiin ja epilepsiahoitoihin.
"Voimme tehdä neurokirurgille aivoista kartan ja näyttää siitä keskeiset alueet”, hän sanoo.
TMS:n avulla voidaan esimerkiksi aiheuttaa käden, kasvojen tai jalan nykimistä tai estää selkeä puhe väliaikaisesti. Kun nämä liikettä ja puhetta kontrolloivat paikat on merkitty karttaan, kirurgi osaa varoa vahingoittamasta niitä leikkauksen aikana.
Vaalto sanoo nykyisten kaupallisten laitteiden olevan varsin yksinkertaisia verrattuna laboratoriosta löytyviin prototyyppeihin. Hän on myös ConnectToBrain-tiimin jäsen, ja työskentelee päivän viikossa Aalto-yliopiston tutkimusryhmässä auttaen suunnittelemaan teknologian seuraavaa sukupolvea.
Nykyisistä kaupallisessa käytössä olevista TMS-laitteista suurimmassa osassa on vain yksi kela.
"Kaupallisilla laitteilla ei voida vielä mukautua aivojen muutoksiin hoidon aikana”, selittää ConnectToBrain-tiimin tutkija Victor Souza.
Souza, Vaalto ja Ilmoniemi kollegoineen kehittävät laitetta, joka sisältää erimuotoisia keloja: kahdeksikonmuotoisia, silmukoita ja renkaita. Näiden yhdistelmällä voidaan stimulaatiota ohjata paljon aiempaa nopeammin, hienovaraisemmin, täsmällisemmin ja joustavammin.
Tiimi aloitti vuonna 2017 yksinkertaisella laitteella, jossa oli päällekkäin asetettuna kaksi kelaa.
Sittemmin heidän kehittämistään keloista on tullut monimutkaisempia, ja viimeisin laite sisältää jo viisi eri muotoa, jotka asetetaan päälllekkäin kerrosmaiseksi rakenteeksi:
Seuraava vaihe on rakentaa laite, joka kattaa koko pään.
”Monet aivojen toiminnoista ovat tulosta eri alueiden välisestä viestinnästä. Siksi haluamme pystyä tavoittamaan nopeasti kaikki alueet”, Souza sanoo.
ConnectToBrain-tiimin monikelateknologian ja älykkäiden algoritmien yhdistelmä avaa hoidoille aivan uusia, huimia mahdollisuuksia, Ilmoniemi uskoo.
"Aivoja voidaan ajatella monelta kantilta. Yksi tapa on hahmottaa ne dynaamiseksi kausaaliseksi järjestelmäksi, jonka osat toimivat keskinäisten vuorovaikutusten ohjaamina”, hän selittää.
"Aivoissa on solmukohtia, eri paikoissa sijaitsevia hermosoluryppäitä, joilla on omat tehtävänsä ja jotka yhdessä muodostavat informaatiokäsittelyverkoston.”
Toinen kiehtova mahdollisuus, jota ConnectToBrain-tiimi tutkii, liittyy magneettistimulaation ajoittamiseen aivojen hermoverkkojen toiminnan perusteella, jotta hoidoista saataisiin mahdollisimman tehokkaita.
"Tiedämme jo, että aivojen hermosolut toimivat rytmisesti”, Vaalto sanoo.
Jos TMS-pulssit voitaisiin kohdistaa rytmien tiettyihin vaiheisiin reaaliajassa, hoidosta voisi tulla nykyistäkin tehokkaampaa.
"Uskon, että tämä voidaan siirtää käytännön hoitotyöhön jo lähitulevaisuudessa”, hän toteaa.
Hoidon vaikutus voi myös riippua siitä, mitä potilas tekee hoidon aikana, tutkijat uskovat.
"Verkostot toimivat eri tavoin riippuen siitä, mitä henkilö on tekemässä – lepäämässä, tekemässä motorisia toimia vai käyttämässä kieltä”, Ilmoniemi selittää.
Jos hoidettavaa henkilöä pyydettäisiin tekemään erilaisia tehtäviä TMS-hoidon aikana – vaikkapa katsomaan videota tai sanomaan ääneen sanoja – vaikuttaisiko se hoidon tehokkuuteen? Tutkijat eivät vielä tiedä vastausta varmuudella, mutta ajatus on houkutteleva.
Ilmoniemi esittää vertauksen jazzmusiikkiin: kyse on soittamisesta yhdessä orkesterin muiden jäsenten kanssa. Taitava muusikko ei töräytä muiden instrumenttien päälle niitä kuuntelematta vaan tavoittelee nimenomaan harmonista kokonaisuutta. Vastaavasti, kun aivoja stimuloidaan, algoritmien on sopeutettava kohdistuksensa ja ajoituksensa aivojen senhetkiseen rytmiin ja tilaan. Tätä aivojen tilaa voidaan monitoroida EEG:n tai muiden mittauslaitteiden avulla.
Ilmoniemeä on hänen uransa aikana kiehtonut tieteellisten löytöjen estetiikka ja harmonia sekä tieteellisen työn sisäinen kauneus.
"Minua motivoi suuresti maailman tulkitseminen loogisesti fysiikan kautta: kuinka aivot toimivat ja miten ne liittyvät omiin kokemuksiimme, kauneuden kokemiseen ja koko tietoisuuden mysteeriin. Se oikeasti innostaa minua. On myös hienoa saada työskennellä ympäristössä, jossa myös muut ovat kiinnostuneita samankaltaisista asioista”, hän toteaa.
Tutkimuksen ja teknologian huimista edistysaskelista huolimatta tunnemme vasta murto-osan aivojen salaisuuksista. Vastaukset piilevät kuitenkin reilussa kilogrammassa valkoista ja harmaata massaa – ja siinä ajatuksessa on kauneutta, Ilmoniemi toteaa.
Richard Fisherin englanninkielisestä tekstistä kääntänyt Tiina Leivo
Tutkimustiloissa otetut kuvat: Mikko Raskinen
Aivokuoren yhteyksiä tutkitaan traktografia-menetelmällä, jonka ovat kehittäneet tutkijatohtorit Baran Aydogan ja Victor Souza.
Muut kuvat: Tutkimusryhmä
Video: Anna Berg
Ensimmäinen TMS:ää käsitellyt tutkimusartikkeli
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140673685924134
Katsaus sairauksiin, joihin TMS tehoaa (2018)
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31901449/
ConnectToBrain -hankkeen julkaisuja useamman kelan laitteista 2018, 2021 ja 2022
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X18300974
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/ac3207
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X21008299
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X22000213
Lue, miten radikaalin luovuuden ja perustutkimuksen liitosta syntyy kestävän maailman ratkaisuja.
Betoni on maailman toiseksi suurin ilmastopäästöjen aiheuttaja – ja sen kysyntä vain kasvaa. Aalto-yliopiston uraauurtavassa Radical Ceramics -projektissa etsitään ja tutkitaan perinteisen betonin vaihtoehtoja, joilla on potentiaalia mullistaa maailma.
Uuden kehitteillä olevan teknologian avulla metsien ja viljelysten kasvua voi seurata etänä – ja nähdä asioita, jotka muuten saattaisivat jäädä huomaamatta.
Ympäristötuhot, sosiaalinen eriarvoisuus ja monet muut ongelmat ovat seurausta talousjärjestelmän nopeiden voittojen maksimoinnista. Ongelmien ratkominen vaatii, että alamme sen sijaan tavoitella pitkän aikavälin resilienssiä.
Yli miljoona ihmistä kuolee joka vuosi, koska antibiootit eivät enää tehoa. Tutkijat etsivät nyt kuumeisesti uusia tapoja kukistaa bakteerit, ja vastaus saattaa löytyä niiden omista aseista.