Tekoäly ja aivoimplantit: hermorajapintojen seuraava kehitysaskel

Aivoimplantit eivät enää kuulu pelkästään tieteisfiktioon. Kokeelliset järjestelmät voivat tulkita tiettyjä aivosignaaleja esimerkiksi tietokoneen ohjaamiseksi. Tulokset koskevat rajattuja tehtäviä ja tutkimuksiin osallistuneita ihmisiä, eivät kaikkien ajatusten tai aikomusten vapaata lukemista.

Näitä järjestelmiä kutsutaan aivo–tietokonerajapinnoiksi eli BCI-järjestelmiksi. Ne muodostavat viestintäyhteyden aivotoiminnan ja ulkoisen laitteen välille. Neuralink on yksi alan tunnetuimmista yrityksistä ja kehittää implantoitavaa rajapintaa.

BCI-järjestelmiä on kehitetty 1960-luvulta lähtien. Tekoälyn viimeaikainen kehitys on parantanut hermosignaalien tulkintaa ja mahdollistanut tärkeitä käytännön kokeita muun muassa vammaisten ihmisten avuksi. Laajempaan käyttöön liittyy kuitenkin edelleen teknisiä ja kliinisiä haasteita.

Nykyiset sovellukset ja läpimurrot

Vuonna 2023 implantoitavien BCI-järjestelmien kehitys tapahtui edelleen pääosin tutkimuslaboratorioissa ja kliinisissä tutkimuksissa. Tekoälyn avulla oli kuitenkin jo osoitettu, miten ne voisivat auttaa tiettyjä toimintarajoitteita omaavia ihmisiä.

Tekoäly ja aivoimplantit viestinnän ja liikkeiden ohjauksen tukena

Maailmassa noin 1,3 miljardia ihmistä elää merkittävän toimintarajoitteen kanssa. Tekoälyä hyödyntävät rajapinnat voivat mahdollisesti auttaa joissakin viestinnän tai liikkumisen ongelmissa. Ne eivät poista kaikkia vammaisuuteen liittyviä rajoitteita kaikilta näiltä ihmisiltä.

Kahdessa elokuussa 2023 julkaistussa Nature-tutkimuksessa Stanfordin ja Kalifornian yliopiston San Franciscon yksikön ryhmät esittelivät rajapintoja, joiden avulla kaksi halvaantunutta naista pystyi viestimään. Järjestelmät tulkitsivat puheyrityksiin liittyvää aivotoimintaa. Tietokonemallit, myös kielimallit, auttoivat muodostamaan siitä tekstiä tai synteettistä puhetta. Kyse ei ollut luonnollisen puheäänen palautumisesta.

Stanfordissa tuolloin 68-vuotiaan Pat Bennettin puheeseen liittyville aivoalueille asennettiin neljä pientä mikroelektrodiryhmää. Ohjelmisto muutti hänen puheyrityksensä tekstiksi. UCSF:n ryhmä käytti Annilla toisenlaista, aivojen pinnalle asetettua rajapintaa, jolla hän pystyi ohjaamaan synteettistä puheääntä ja digitaalisen avatarin kasvonilmeitä. Ann oli 30-vuotias saadessaan halvaantumiseen johtaneen aivohalvauksen, ei tutkimuksen toteutushetkellä. Molemmat tutkimukset paransivat käytettävissä olevaa sanastoa, tulkintanopeutta ja tarkkuutta aiempiin järjestelmiin verrattuna.

Tekoäly ja mikroelektroniikka aivosairauksien tutkimuksessa

Implanttien sähköstimulaatio voi auttaa epilepsian ja Parkinsonin taudin hoidossa muokkaamalla poikkeavaa hermotoimintaa. Toronton yliopisto on koonnut yhteen sähkö- ja tietotekniikan insinöörejä, lääkäreitä, neurotieteilijöitä sekä materiaali- ja datatieteen asiantuntijoita. Ryhmä tutkii muun muassa tarkempaa ja energiatehokkaampaa neuromodulaatiota.

Syväoppimisen avulla ryhmä pyrkii tunnistamaan aivosignaaleista piirteitä ja vaikeasti havaittavia biomarkkereita, jotta stimulaatio voitaisiin ajoittaa paremmin. Mahdollisia tulevia käyttökohteita ovat seuraavat sairaudet ja oireet; kaikkien kohdalla kyse ei ole jo vakiintuneesta hoidosta:

• Krooninen kipu
• Masennus
• Dementia
• Alzheimerin tauti
• Unihäiriöt

Neuralinkin tutkimus ihmisillä

Neuralink sai vuonna 2023 Yhdysvaltain FDA:lta luvan ensimmäiseen ihmisillä toteutettavaan tutkimukseensa. Syyskuussa yritys ilmoitti osallistujien rekrytoinnista saatuaan asianomaisen eettisen toimikunnan hyväksynnän. Tutkimuslupa ei tarkoita laitteen myyntilupaa. Turvallisuuskysymykset kuuluivat tämän kokeellisen järjestelmän arviointiin.

PRIME-tutkimukseen, jonka nimi on Precise Robotically Implanted Brain-Computer Interface, haettiin henkilöitä, joiden halvaus johtui kaularangan alueen selkäydinvammasta tai amyotrofisesta lateraaliskleroosista. Esitteen mukaan osallistuminen ja seuranta kestivät yhteensä noin kuusi vuotta. Leikkausrobotti asettaisi langattoman implantin johdot aivoihin. Tavoitteena oli arvioida turvallisuutta ja alustavaa kykyä ohjata tietokonetta aivosignaalien avulla.

Musk on esittänyt laajempia tavoitteita muun muassa autismiin, masennukseen ja skitsofreniaan liittyen. Ne eivät osoittaneet, että Neuralink voisi hoitaa näitä tiloja, eivätkä ne olleet PRIME-tutkimuksen käyttötarkoitus. Eläimillä tehtyjen prekliinisten kokeiden jälkeen yritys rekrytoi vuonna 2023 halvaantuneita osallistujia ensimmäiseen ihmistutkimukseensa.

Teknologiset ja tieteelliset edistysaskeleet

BCI-tutkimus on vuosikymmenten aikana kehittänyt suoria viestintäyhteyksiä aivojen ja tietokoneiden välille. Tekoäly on vienyt työtä eteenpäin, sillä se voi analysoida monimutkaista dataa ja tuottaa siitä esimerkiksi ihmisen puhetta muistuttavia tuloksia.

Ensimmäiset kokeelliset puherajapinnat olivat hitaita ja rajoittuneita. Neurotieteen ja laskentatehon kehitys on mahdollistanut nopeampia järjestelmiä, joista voi olla hyötyä tulevissa viestinnän tai liikkeiden ohjauksen apuvälineissä. Tässä käsitellyt puheimplantit olivat kuitenkin kokeellisia. Tutkimukset eivät osoittaneet, että kaikkia aisti- ja liikuntatoimintoja palauttavia tekoälyimplantteja olisi jo kaupallisesti saatavilla.

Järjestelmät muuttavat puheyrityksiin liittyviä aivosignaaleja tekstiksi. Stanfordin tutkimuksessa sanojen virheprosentti oli 9,1 rajatulla 50 sanan sanastolla, eli virheitä oli 2,7 kertaa vähemmän kuin aiemmassa vastaavassa puherajapinnassa. Paljon laajemmalla, 125 000 sanan sanastolla virheprosentti oli 23,8. Nopeus oli 62 sanaa minuutissa, kun luonnollisessa keskustelussa se on noin 160. Edistys oli huomattava, mutta tulos oli edelleen selvästi tavallista puhetta hitaampi.

BrainGate2-tutkimukseen kuuluvassa työssä käytettiin toistuvaa neuroverkkoa puheen tulkitsemiseen. Erillisessä analyysissä naiivi Bayes -luokitin erotteli 33 suun ja kasvojen liikettä 92 prosentin tarkkuudella. Luku ei siis kuvannut vapaan tekstin tarkkuutta tai kaikkia kasvonliikkeitä tunnistavan toistuvan neuroverkon suorituskykyä.

Käyttäytymisen ja kognitiivisen tilan tulkinta hermosignaaleista on keskeistä BCI-tutkimuksessa. Syväoppimista käytetään monissa koneoppimistehtävissä, kuten kuvien segmentoinnissa ja puheentunnistuksessa. Sen sovelluksia tutkitaan myös liikkeisiin, puheeseen ja näköhavaintoihin liittyvien signaalien tulkinnassa.

Texasin yliopiston Austinin yksikön tutkijat kehittivät lisäksi ei-invasiivisen semanttisen dekooderin. Se hyödynsi Transformer-mallia, samaa mallirakennetta, jota käytetään esimerkiksi ChatGPT:ssä ja silloisessa Bardissa. Osallistujat kuuntelivat koulutuksen aikana kertomuksia toiminnallisessa magneettikuvauslaitteessa. Järjestelmä tuotti sitten tekstiä, joka tavoitti osan uusien kuultujen tai kuviteltujen kertomusten merkityksestä, ei luotettavaa sanatarkkaa litterointia. Se edellytti yksilöllistä koulutusta ja osallistujan yhteistyötä, eikä kyennyt lukemaan kenen tahansa ajatuksia salaa.

Tekoäly tukee siten neurotieteellistä tutkimusta monin tavoin. Nopeasti kehittyvällä alalla on kuitenkin huomioitava myös käytön edellytykset ja seuraukset.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoa seuraavista läpimurtoterapioista neurologisten sairauksien parantamiseksi.

Etiikka, yksityisyys ja turvallisuus

Aivorajapintojen ja tekoälyn kehitys tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia tukea tarvitseville ihmisille. Samalla se nostaa esiin turvallisuuteen, yksityisyyteen ja vastuuseen liittyviä kysymyksiä.

Tekoälyjärjestelmissä voi muiden teknologioiden tavoin esiintyä virheitä ja toimintahäiriöitä, joilla saattaa olla haitallisia seurauksia. Monimutkaisiin algoritmeihin ja suuriin tietomääriin perustuvat järjestelmät ovat alttiita myös tietomurroille ja manipuloinnille. Koulutusdatan vinoumat voivat lisäksi johtaa syrjiviin tuloksiin.

Kasvavat investoinnit aivotoimintaa analysoiviin ja hermostoa koskevia tietoja tallentaviin järjestelmiin saivat YK:n kasvatus-, tiede- ja kulttuurijärjestön Unescon varoittamaan ihmisoikeusriskeistä ja vaatimaan neuroteknologian maailmanlaajuista sääntelyä. Tämä ei tarkoittanut, että järjestelmät olisivat jo pystyneet lukemaan kaikkia ajatuksia vapaasti.

”Jos neuroteknologian lupausta käytetään väärin, sen hinta ihmisoikeuksille ja perusvapauksille voi olla suuri. Neuroteknologia voi vaikuttaa identiteettiimme, itsemääräämisoikeuteemme, yksityisyyteemme, tunteisiimme, käyttäytymiseemme ja yleiseen hyvinvointiimme.”

– Gabriela Ramos, Unescon yhteiskunta- ja humanistisista tieteistä vastaava apulaispääjohtaja.

Vuonna 2023 YK:n tiede- ja kulttuurijärjestö ilmoitti aloittavansa neuroteknologian yleismaailmallisen eettisen kehyksen kehittämisen.

Ramos oli huolissaan siitä, että teknologia koskettaa ihmisyyden ydintä. Neuroteknologian innovaatioita käsittelevän Unescon raportin pääkirjoittaja Mariagrazia Squicciarini kuvasi tekoälyn vaikutusta steroidien antamiseksi neuroteknologialle. Vertaus korosti kehityksen voimakasta nopeutumista.

Unescon vuonna 2023 julkaisema raportti kertoi neuroteknologian vuotuisen yksityisen rahoituksen kasvaneen 22-kertaiseksi vuosina 2010–2020. Vuonna 2020 määrä oli 7,3 miljardia dollaria. Patenttien avulla mitatut innovaatiot lisääntyivät noin 20-kertaisiksi vuosina 2000–2020, siis eri ajanjaksolla. Artikkelissa mainittiin myös historiallinen ennuste, jonka mukaan neuroteknologisten laitteiden markkina ylittäisi 24 miljardia dollaria vuoteen 2027 mennessä. Kyse ei ollut jo toteutuneesta myynnistä.

Aivodatan analysointi tekoälyllä korostaa ajatuksiin ja mielentilaan liittyvän yksityisyyden merkitystä. Kiinasta on raportoitu työntekijöiden käyttämistä päähineistä, joilla pyritään arvioimaan tiettyjä tunnetiloja. Tällaiset arviot eivät osoita tunteiden täydellistä tai luotettavaa lukemista. Yhdysvalloissa puolustusalan tutkimus selvittää muun muassa laitteiden ohjausta sekä mahdollisia kognitiivisia ja hoidollisia sovelluksia.

Eettisiä kysymyksiä liittyy myös BCI-järjestelmien yhteiskunnallisiin vaikutuksiin. Monia huolestuttaa, voisiko ennennäkemätön pääsy aivoista saataviin tietoihin mahdollistaa dystooppisia käyttötapoja.

Hermorajapintoja kehittäviä yrityksiä ja organisaatioita

Seuraavassa esitellään aivo- ja hermorajapintojen toimijoita. Niiden teknologioihin kuuluu sekä implantteja että eri tarkoituksiin kehitettyjä ei-invasiivisia järjestelmiä:

1. Neuralink

Elon Muskin perustama Neuralink kehittää langattomia implantteja, jotka tallentavat hermotoimintaa ulkoisten laitteiden ohjaamiseksi. Marraskuun 2023 artikkeli kertoi 43 miljoonan dollarin lisärahoituksesta osana Founders Fundin johtaman kierroksen laajennusta. Peter Thiel on yksi rahaston perustajista.

Kesäkuussa 2023 yritykselle raportoitiin noin viiden miljardin dollarin arvostus. Growjon ilmoittama arvioitu vuotuinen liikevaihto, 115,7 miljoonaa dollaria, oli ulkopuolinen arvio eikä Neuralinkin julkaisema tilintarkastettu myyntiluku. Marraskuussa 2023 yhdysvaltalaiset parlamentaarikot pyysivät SEC:tä tutkimaan yrityksen lausuntoja eläinkokeiden kuolemista. Artikkelin tuolloin lainaaman Muskin arvion mukaan kaupallistamiseen oli vielä vuosia; kyse ei ollut hyväksytystä markkinoilletuloaikataulusta.

2. Synchron

New Yorkissa toimiva Synchron kehittää verisuonen kautta asetettavaa rajapintaa, joka rekisteröi aivosignaaleja tietokoneen ohjaamista varten. Kyse on viestintä- ja ohjausjärjestelmästä, ei neuromodulaatiohoidosta. Tammikuussa 2023 julkaistussa SWITCH-tutkimuksessa arvioitiin turvallisuutta ja toteutettavuutta neljällä vaikeasti halvaantuneella henkilöllä.

Laite asetetaan verisuoniston kautta aivokuoren lähelle. Neljän osallistujan 12 kuukauden seurannassa ei havaittu vakavia laitteeseen liittyviä haittatapahtumia. Tämä ei tarkoita kaikkien haittojen tai riskien puuttumista. Artikkeli mainitsi CB Insightsin mukaisen 135,7 miljoonan dollarin kokonaisrahoituksen sekä Jeff Bezosiin ja Bill Gatesiin liittyvien sijoittajien tuen. Growjon ilmoittama 37,3 miljoonan dollarin vuotuinen liikevaihto oli ulkopuolinen arvio, jota yrityksen julkaisemat tilintarkastetut tilinpäätökset eivät vahvistaneet.

3. Blackrock Neurotech

Tämä yksityinen yritys kehittää neuroteknologiaratkaisuja, myös BCI-järjestelmiä. Kesäkuussa 2022 Blackrock Neurotech kertoi implanttitutkimuksensa saavuttaneen yhteensä 30 000 potilaspäivää eri osallistujilla. Tämä ei tarkoittanut yhden potilaan 30 000 sairaalapäivää. Yrityksen toinen perustaja ja puheenjohtaja Florian Solzbacher arvioi tuolloin teknologian olevan valmis siirtymään laboratoriosta potilaiden koteihin. Yrityksen arvio ei ollut yleinen myyntilupa.

Vuonna 2021 yritys keräsi kymmenen miljoonaa dollaria rahoitusta muun muassa Christian Angermayerin re.Mind Capitalilta, Peter Thieliltä, Tim Sieversiltä ja Sorenson Impactin University Venture Fund II:lta.

4. BrainGate

BrainGate-tutkimuskonsortion järjestelmä käyttää aivoihin kirurgisesti asetettavia mikroelektrodiryhmiä, joissa on noin sata elektrodia. Tavoitteena on auttaa halvaantuneita ihmisiä ohjaamaan robottiraajoja tai tietokoneita aivosignaalien avulla. Konsortio pyrkii parantamaan neliraajahalvaantuneiden liikkuvuutta, viestintää ja itsenäisyyttä.

5. Precision Neuroscience

Precision Neuroscience ilmoitti kesäkuussa 2023 ensimmäisistä ihmisillä tehdyistä toimenpiteistä aivosignaalien kartoittamiseksi. Yksi yrityksen perustajista oli aiemmin mukana perustamassa Neuralinkia. Sen Layer 7 Cortical Interface on aivojen pinnalle asetettava, hiusta ohuempi elektrodiryhmä. Leikkausten yhteydessä tehdyt tilapäiset mittaukset eivät vielä osoittaneet pysyvän implantin toimivuutta jokapäiväisessä käytössä.

Tammikuussa 2023 yritys keräsi 41 miljoonaa dollaria, jolloin kokonaisrahoitus nousi 53 miljoonaan dollariin alle kahdessa vuodessa. Se kehitti muun muassa vähän kajoavaa menetelmää, jossa rajapinta asetetaan kallon pienen raon kautta.

6. Kernel

Bryan Johnsonin perustama Kernel kehittää ei-invasiivista Kernel Flow -järjestelmää. Se käyttää aivojen toimintaan liittyvien muutosten mittaamiseen aikaerotteista toiminnallista lähi-infrapunaspektroskopiaa eli TD-fNIRS-menetelmää.

Yrityksen mukaan Kernel Flow on kannettava monimodaalinen aivokuvantamispäähine, jonka käyttöönotto vie muutamia minuutteja. Se yhdistää verenkierron vasteen optisia mittauksia EEG-mittauksiin. TD-fNIRS havainnoi aivotoimintaan liittyviä veren happipitoisuuden muutoksia; se ei ole implantti eikä lue suoraan ajatuksia.

7. Neurable

Neurable kehittää EEG:hen perustuvia ei-invasiivisia rajapintoja. Sen tutkimus on käsitellyt muun muassa pelaamista sekä ihmisen ja tietokoneen vuorovaikutusta lisätyssä ja virtuaalisessa todellisuudessa. Tutkimuskäyttö ja mahdolliset kliiniset sovellukset eivät tarkoita hyväksyttyjä lääketieteellisiä hoitoja.

8. CTRL-labs

Ei-invasiivisia hermorajapintoja kehittänyt startup siirtyi vuonna 2019 Facebookin, sittemmin Metan, omistukseen. Kauppahintaa ei julkistettu virallisesti; lehdistöarviot nousivat miljardiin dollariin. Muun muassa vuonna 2018 esitellyt rannekeprototyypit mittaavat ranteen lihasten sähköisiä signaaleja elektromyografialla. Tavoitteena on ohjata laitteita liikeaikomusten ja pienten eleiden avulla, ei lukea kaikkia ajatuksia suoraan aivoimplantilla.

Tulevaisuuden näkymät ja haasteet

Tekoälyä hyödyntävät aivorajapinnat ovat tärkeitä neurotieteen tutkimusvälineitä. Ne voivat parantaa joitakin hoitoja ja apuvälineitä. Tutkimusosallistujilla saadut tulokset ovat lupaavia, mutta niiden merkitys riippuu teknologiasta ja tutkitusta käyttötarkoituksesta.

Yhdysvaltain DARPA:n rahoittamat tutkijat selvittävät mielialahäiriöihin liittyviä signaaleja ja aivoverkkojen stimulointia. Vuonna 2018 esitellyt tutkimukset käsittelivät muun muassa mielialan tulkintaa ja avoimen silmukan stimulaatiota askeleina kohti tulevia suljetun silmukan järjestelmiä. Ne eivät osoittaneet, että implantit olisivat jo vuonna 2017 palauttaneet jokaisen potilaan automaattisesti terveeseen tilaan ilman lääkärin valvontaa.

Muu tutkimus käsittelee esimerkiksi proteesiraajojen ohjausta ja poikkeavan hermotoiminnan muokkaamista. Neurofeedback voi antaa reaaliaikaista palautetta tiettyjen signaalien muokkaamisen opetteluun, ja tulokset riippuvat sovelluksesta. Myös aivojen välistä viestintää on tutkittu kokeellisesti, mutta se ei ole yleistä, saumatonta ajatusten siirtoa.

Yksi tulevaisuuden mahdollisuus on kognitiivisten kykyjen parantaminen ihmisillä, joilla ei ole hoidollista tarvetta. Kohdennettu stimulaatio saattaisi vaikuttaa joihinkin tarkkaavaisuuteen, muistiin tai oppimiseen liittyviin toimintoihin. Tämä on tutkimusnäkymä, ei tekoälyimplanttien yleisesti osoitettu kyky.

Ihmisen toimintakyvyn parantamisen mahdollisuuksiin liittyy myös saavutettavuutta ja yksityisyyttä koskevia eettisiä kysymyksiä.

Pew Research Centerin vuonna 2022 julkaiseman kyselyn mukaan 78 prosenttia amerikkalaisista ei halunnut kognitiivisia kykyjä parantavaa implanttia, kun taas 20 prosenttia halusi sellaisen. Kysymys koski kognitiivista tehostamista, ei kaikkia hoitokäyttöjä. Aiemmassa kyselyssä noin kaksi kolmasosaa ei halunnut voimakkaasti keskittymistä ja tiedonkäsittelyä parantavaa sirua. Kuusi kymmenestä uskoi useimpien ihmisten kokevan painetta hankkia implantti, jos käyttö yleistyisi.

Näissä kognitiivista tehostamista koskevissa kysymyksissä 52 prosenttia odotti tietomurtojen olevan yleisiä, jos implantteja käytettäisiin laajasti. Myös ei-toivotut aivomuutokset ja laitteiden toimintahäiriöt huolestuttivat. Lisäksi 83 prosenttia kannatti lääkinnällisiä laitteita tiukempia testausvaatimuksia samojen vaatimusten sijaan.

Tämä korostaa tarvetta tasapainottaa teknologian mahdollisuudet sekä yksilöiden ja yhteiskunnan terveyden, turvallisuuden ja perusarvojen suojaaminen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta bioteknologiayrityksestä lääketieteen alalla.

Yhteenveto

Tekoälyä ja esimerkiksi kielimalleja hyödyntävät aivo–tietokonerajapinnat parantavat hermosignaalien käsittelyä. Kokeet ovat auttaneet tiettyjä halvaantuneita ihmisiä viestimään tai ohjaamaan ulkoisia laitteita. Kyse ei ole kaikkien ajatusten lukemisesta tai kaikkien liikuntakykyjen täydellisestä palautumisesta.

Teknologia tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia, mutta turvallisuus, yksityisyys ja eettiset seuraukset on arvioitava huolellisesti. Hyötyjen ja riskien selvittäminen edellyttää perusteellisia tutkimuksia, läpinäkyvää tiedottamista ja jatkuvaa seurantaa.

Tekoälyä hyödyntävillä aivoimplanteilla on monia mahdollisia sovelluksia, joiden vaikutukset voivat olla merkittäviä.

Klikkaa tästä saadaksesi kaikki tiedot tekoälyyn sijoittamisesta.