Kosketuksen tulevaisuus: Keinotekoisten aistien parantaminen BCI-käyttäjille

Nopeat teknologiset edistysaskeleet kaventavat yhä enemmän ihmisen ja koneen välistä raja-aitaa. Tämän kehityksen eturintamassa on aivo-tietokone -liitäntä (BCI), joka luo suoran viestintäyhteyden aivojen sähköisen toiminnan ja ulkoisen ulostulon välillä.

Helpottamalla viestintää aivojen ja tietokoneen välillä, BCI auttaa palauttamaan fyysisesti haastavien ihmisten kyvykkyyksiä. Se muuntaa aivojemme toiminnan signaaleiksi, jotka voivat korvata tai parantaa kehon toimintoja, kuten lihasliikettä, jota yleensä ohjaa aivot. Näin BCI osoittaa valtavan potentiaalin parantaa ihmisten elämänlaatua. 

Noin puoli vuosisataa kehitteillä ollut BCI on nähnyt vuosien varrella valtavan edistymisen, ja tutkijat ovat nyt osoittaneet teknologian kyvyn tehokkaasti palauttaa toimintakykyä vammaisille, kuten halvaantuneille, motorisia häiriöitä, puhevaikeuksia tai skitsofrenian oireita omaaville henkilöille.

Tutkimukset ovat myös osoittaneet, että BCI:n käyttö auttaa vammaisia kokemaan menneen kosketuksen tunteen. Tällaiset taktiilit tuntemukset ovat kuitenkin epätäydellisiä ja samankaltaisia eri tekstuurien tai lämpötilojen omaavien esineiden välillä. Nyt tiedemiehet pyrkivät luomaan intuitiivisen kosketuksen tunteen.

Kosketus on olennainen osa elämäämme, auttaen meitä paitsi yhteydenpidossa toisten kanssa myös esineiden poimimisessa ja kävelemisessä. Charles Greensponin, Chicagon yliopiston neurotieteilijän, mukaan:

“Useimmat ihmiset eivät tajua, kuinka usein he turvautuvat kosketukseen näön sijaan. Jos et tunne, sinun täytyy jatkuvasti katsoa kättäsi tehdessäsi mitä tahansa, ja silti on riski kaataa, murskata tai pudottaa esineitä.”

Palauttaakseen tuntoa proteesikäsissä, tutkijat käyttävät pieniä elektrodialustoja, jotka on sijoitettu aivojen niihin alueisiin, jotka vastaavat kyseisestä toiminnosta. 

Tämä mahdollistaa osallistujien liikuttaa raajojaan robottikäsivarren avulla pelkästään ajatellen liikettä, samalla kun sen anturit laukaisevat sähköisiä pulssia aivojen kosketukseen omistetuilla alueilla. Vaikka tutkijat pystyivät herättämään kosketuksen tunteita, ne olivat melko heikkoja ja vaikeita paikantaa tarkasti, missä kosketus tapahtui.

Mutta nyt aivan uusi tutkimus on antanut aivo-tietokone -liitännän käyttäjille mahdollisuuden suunnitella ainutlaatuisia taktiilisia kokemuksia eri näytöllä esitettävistä esineistä ja sitten pelkän tunteen perusteella arvata esineen melko tarkasti.

Haaste aistipalautteen integroinnissa proteeseihin

Pittsburghin yliopiston lääketieteellisen koulun tutkijat ovat saavuttaneet läpimurron, joka vie heidät lähemmäs BCI:n kehittämistä, joka mahdollistaa tetraplegiaa sairastavien¹, myös quadriplegiat, voivat palauttaa menneen kosketustuntonsa.

Tetraplegia on tila, jossa henkilö menettää liikkuvuuden sekä käsissä että jaloissa, ja usein myös vartalossa, yleensä selkäytimen kaulaseudun vammasta, aivohalvauksesta tai muusta neurologisesta vauriosta.

Vaurio häiritsee signaaleja, jotka mahdollistavat aivojen vastaanottaa ja käsitellä aistitietoa, kuten kosketusta, mikä johtaa potilaan tuntohäviöön vaikuttavissa raajoissa.

Vaikka proteesit tarjoavat keinotekoisen raajan korvaamaan menneen toiminnon, tämä voidaan toteuttaa vain, jos ne myös tarjoavat kosketuksen tunteen, aivan kuten oikea raaja. Perinteiset keinotekoiset raajat keskittyivät pääasiassa liikkeen palauttamiseen, mutta teknologinen kehitys on mahdollistanut kosketuksen tunteen sensorien ja sähköstimulaation avulla.

Jotta raajojen menettämä toiminto voitaisiin täysin palauttaa, laitteen on oltava saumattomasti integroituna henkilön olemassa olevaan sensorimotoriseen järjestelmään, joka yhdistää ihmisen havainnon ja toiminnan.

Tämän saavuttamiseksi taktiilinen palaute on avainasemassa. Tämä laiteiden aistinen vuorovaikutusmuoto keskittyy fyysisiin kosketuskokemuksiin.

Lupaava tapa tarjota tällaista palautetta on intracortical-mikrostimulaatio (ICMS) somatosensorisessa aivokuoressa, joka voi herättää paikallisia tuntemuksia henkilön halvaantuneessa raajassa. Antamalla taktiilista tietoa suoraan aivoihin, ICMS on houkutteleva vaihtoehto korkean tason amputaatio- tai selkäydinvammoista kärsiville.

Kuitenkin tämän saavuttaminen ei ole yksinkertaista, vaan erittäin vaikeaa, koska ymmärryksemme kosketuksen hermoprosessoinnista on rajallinen. Laitteistorajoitukset rajoittavat myös kykyä jäljitellä hermovastauksia luonnollisesti. Lisäksi stimulaatioparametrien tila on monimutkainen, ja raportit siitä, kuinka todelliseksi keinotekoinen tunnekokemus koettiin, ovat alttiita vinoumalle ja vaikeita tulkita.

Vaikka kosketuksen sijainti ja voimakkuus, jotka herättävät somatosensorisen aivokuoren mikrostimulaation kautta, voidaan välittää luotettavasti, on haasteita kehitettäessä monimutkaisempia luonnollisia tuntemuksia, joihin liittyy riittämättömät tekniikat laajan stimulaatiotilan tehokkaaseen skannaamiseen ja havaintolaadun analysointiin.

Useimmat ICMS:n psykofysiikkaa tutkineet tutkimukset ovat manipuloineet yhtä stimulaatioparametria kerrallaan. Suurin osa tutkimuksista on tehty ei-ihmisapinoilla, jotka eivät pysty sanallisesti ilmaisemaan kokemuksiaan.

Tarvitaan yksinkertaisesti tehokkaampia menetelmiä tutkia ICMS:n herättämien tuntemusten laatua.

Niinpä viimeisimmässä tutkimuksessa, Pittin ja Chicagon yliopiston yhteistyössä, tutkijat esittelivät käyttöliittymän, joka vastaa monimutkaisten luonnollisten tuntemusten luomisen haasteisiin.

Tutkimus totesi, että kun ihmiset odotetaan käyttävän suljettuja BCI-silmukoita arjessa, on tärkeää tutkia ICMS:n herättämien tuntemusten toiminnallista käyttöä ja kokemusta.

Kuitenkin tällaisessa tutkimuksessa osallistujien otos on rajallinen. Vain noin seitsemän henkilöä, joilla on kaksisuuntaiset intracortical-implantit somatosensorisessa ja motorisessa aivokuoressa, on saatavilla, ja tutkimukseen sisällytettiin kolme heistä.

BCI-käyttäjien valtuuttaminen määrittelemään oma aistikokemuksensa

Tutkijoiden luomaa käyttöliittymää on käyttänyt kolme miespuolista tetraplegiaa sairastavaa henkilöä suunnitellakseen tuntemuksiaan eri virtuaalisille esineille.

Keinotekoisia taktiilisia tuntemuksia suunniteltiin edustamaan vuorovaikutusta kissan, omenan, avaimen, pyyhkeen ja paahtoleivän kanssa. Nämä esineet valittiin niiden taktiilisten ominaisuuksien monipuolisuuden perusteella, kuten tuttuus, miellyttävyys, lämpötila, mikro- ja makrotarkkuus, kosteus, kitka ja joustavuus.

Osallistujat käyttivät vasemman kätensä jäljelle jäänyttä toimintaa vuorovaikuttaakseen tabletin käyttöliittymän kanssa, joka loi “kosketus” -tuntemuksia kämmenen pinnalle.

Tutkiessaan esineitä keinotekoisen kosketuksensa kautta, osallistujat kuvailivat omenan viileää pyöreyttä, oven avaimen sileää, jäykkää pintaa ja kissan lämmintä turkkia. Tämä eroaa täysin aikaisemmista kokeista, joissa keinotekoinen kosketus usein tuntui puiskotuksena tai surinana, eikä eronnut esineestä toiseen.

Mitä erotti tämä koe aiemmista tutkimuksista, oli se, että osallistujat hallitsivat omaa stimulaatiotaan ja pystyivät aktiivisesti tutkimaan visuaalisesti esitettyä esinettä.

Passiivisessa stimulaatiossa, jossa ei ole näköä eikä tutkimista, ihmiset raportoivat yleensä ihon tasoisia tuntemuksia, kuten painetta tai värähtelyä. Tämä johtuu siitä, että osallistujien huomio on kohdistettu kehoon.

Vastaavasti aktiivisesti tutkaavat osallistujat keskittyvät ulkomaailmaan. Siksi he tulkitsevat saman havainnon esinekeskeisiksi tuntemuksiksi, kuten karheus. Tämä saattaa selittää, miksi viimeisimmän tutkimuksen osallistujat spontaanisti raportoivat enemmän esinekeskeisiä tunnekäsitteitä.

Tämä osallistujien kyky hallita stimulaation esittämistä “koskettamalla” tabletilla esitettyä esinettä auttoi luomaan realistisemman kokeellisen kontekstin. Tässä koetut tuntemukset eivät olleet kokeilunjohtajan ohjaamaa stimulaatiota ilman merkityksellistä kontekstia, vaan kohdennettuja tutkimuksellisia liikkeitä.

Tutkijat antoivat BCI-käyttäjille periaatteessa hallinnan sähköstimulaation yksityiskohtiin, jotka luovat taktiilisia tuntemuksia, sen sijaan että he itse tekisivät päätökset, mahdollistaen heidän luoda kosketuksen tunteen, joka tuntui intuitiiviselta.

“Kosketus on tärkeä osa ei-sanallista sosiaalista viestintää; se on henkilökohtainen tunne, joka kantaa paljon merkitystä.”

She added:

“Omien tuntemusten suunnittelu antaa BCI-käyttäjille mahdollisuuden tehdä esineiden kanssa tapahtuvasta vuorovaikutuksesta realistisempaa ja merkityksellisempää, mikä vie meitä lähemmäs neuroproteesin luomista, joka tuntuu miellyttävältä ja intuitiiviselta käyttää.”

Aistin todellisuuden rekonstruointi pelkästään hermopohjaisesta syötteestä

Tutkimuksen aikana, etsittäessä täydellistä kosketusta, tutkijat pyysivät BCI-osallistujia ensin löytämään stimulaatioparametrien yhdistelmän, joka tuntui kuin koskettaisi paahtoleipää, pyyhettä, avainta, omenaa tai kissaa.

Samaan aikaan käyttäjät tutkivat digitaalisesti esitettyä esinettä. Tutkimuksen osallistujat kuvasivat esineitä elävillä termeillä, mikä oli subjektiivista. Esimerkiksi yksi osallistuja kuvaili kissaa silkkisenä ja sileänä, kun taas toinen kuvaili sitä napakaksi ja lämpimäksi. Sitten kuvat poistettiin, ja pelkän stimulaation avulla heidän täytyi tunnistaa esineet.

Simuloidakseen “kosketus” -kokemusta BCI-käyttäjille, tutkimus stimuloi kolmea elektrodia peräkkäin. Jokainen näistä elektrodeista, jotka ohjattiin kosketuksella esineen eri alueisiin, herätti tuntemuksen käden viereisellä alueella.

Osallistujat pystyivät tarkasti tunnistamaan yhden viidestä esineestä ilman visuaalisia vihjeitä 35 % ajasta, mikä on merkittävästi satunnaisuutta parempi, mutta vaatii huomattavaa parannusta. Kuitenkin kahden tuntemuksen välinen sekaannus kasvoi esineissä, joilla oli enemmän yhteisiä taktiilisia ominaisuuksia.

“Suunnittelimme tämän tutkimuksen tähtäimessä kuun ja saimme sen kiertoradalle. Osallistujilla oli todella vaikea tehtävä erottaa esineitä pelkästään taktiilisen tunteen perusteella, ja he olivat melko menestyneitä siinä.”

– Tutkimuksen vanhempi tekijä Robert Gaunt, Ph.D., joka on fysiikka- ja kuntoutuslääketieteen apulaisprofessori Pittissä

Gaunt huomautti, että jopa virheet olivat “ennustettavissa”, koska on vaikeampaa erottaa pyyhettä ja kissaa, jotka ovat molemmat pehmeitä, kun taas sekaannus oli vähemmän todennäköistä kissan ja avaimen välillä.

Kaiken kaikkiaan tutkimus piti lupaavana, että osallistujat pystyivät luomaan erottuvia esineiden tuntemuksia jopa haastavassa, laajan parametrien tilan ympäristössä.

Se totesi, että somatosensorisen aivokuoren mikrostimulaatio voi herättää intuitiivisia havaintoja erilaisilla konkreettisilla ominaisuuksilla. Monimutkaisemmat stimulaatiot “avauttavat laajemman havaintotilan, jonka avulla ihmiset voivat erottaa keinotekoisesti havaitut esineet tarkemmin ja intuitiivisemmin,” se totesi.

Tämä on merkittävä askel kohti keinotekoisen raajan luomista, joka sulautuu saumattomasti yksilön ainutlaatuiseen aistimaailmaan.

Kasvava keskittyminen keinotekoisen kosketuksen tarkentamiseen BCI:issä

BCI-maailmassa on tällä hetkellä kasvava painotus tehdä kosketuksesta intuitiivisempaa. Jo tänä vuonna useat tutkijat ovat edistyneet robottiproteesikäsivarren ja BCI:n kehittämisessä motorisen ohjauksen ja kosketuksen tunteen palauttamiseksi.

Neurotieteilijä Greenspon ja hänen tiiminsä käsittelivät nykyisiä rajoituksia luonnollisten kosketustuntemusten luomisessa keinotekoisiin raajoihin keskittymällä varmistamaan, että sähköisesti stimuloidut kosketustuntemukset ovat tarkasti paikallisia, vakaita ja riittävän vahvoja päivittäiseen käyttöön.

Tätä varten he antoivat lyhyitä pulssia yksittäisille elektrodeille kosketuskeskuksissa. Sen jälkeen osallistujat raportoivat jokaisen tuntemuksen sijainnin ja voimakkuuden, mikä auttoi luomaan kattavan kartan aivojen alueista, jotka vastaavat tiettyjä kehon osia.

Testaus osoitti, että kahden lähekkäin sijaitsevan elektrodin stimuloiminen yhdessä sai osallistujat tuntemaan vahvemman, selkeämmän kosketuksen.

Täydentävä tutkimus pyrki tekemään keinotekoisen kosketuksen intuitiivisemmaksi ja immersiivisemmäksi sijoittamalla elektrodeklustereita päällekkäisillä sensorisilla sijainneilla. Tämä loi tuntemuksia, joita osallistujat kuvailivat lempeäksi liukuvaksi kosketukseksi, vaikka annettu stimulaatio oli pienissä, erillisissä askelissa.

Elektrodien peräkkäinen aktivointi paransi myös osallistujien kykyä erottaa monimutkaisia konkreettisia muotoja ja reagoida kosketettujen esineiden muutoksiin, auttaen siirtämään bionisen palautteen lähemmäs luonnollisen kosketuksen monimutkaisia ja tarkkoja kykyjä.

“Välitimme taktiilisia tuntemuksia, jotka liittyvät suuntaan, kaarevuuteen, liikkeeseen ja 3D-muotoihin osallistujalle, joka käytti aivo-ohjattua bionista raajaa. Olemme nyt toisella keinotekoisen kosketuksen tasolla. Uskomme, että tämä rikkaus on ratkaisevaa, jotta saavutetaan ihmiskäden tyypillinen tarkkuus, manipulointi ja monidimensionaalinen taktiilinen kokemus.”

– Tutkimuksen pääkirjoittaja Giacomo Valle, apulaisprofessori Chalmersin teknillisessä yliopistossa.

Samaan aikaan Max Planck Institute for Intelligent Systems -tutkijat keksivät kannettavia laitteita, jotka voivat tarjota ilmaisullisia taktiilisia tuntemuksia, kuten rauhoittavaa kosketusta, painamista iholle ja laajaa taajuusaluetta kattavia värähtelyjä, ylittäen nykyisten laitteiden kyvyt.

Laajentaakseen haptisia tuntemuksia, he kehittivät sähköisesti ohjattuja ihon elektrohydraulisia (CUTE) kannettavia laitteita, joita voidaan räätälöidä tarjoamaan useita erilaisia kosketuksia muuttamalla jännitettä ajan myötä.

“CUTE-laitteemme osoittavat kevyiden kannettavien järjestelmien toteutettavuutta, jotka tarjoavat miellyttävää ja ilmaisullista taktiilista viestintää. Tulevaisuuden kehitykset voisivat viedä tämän teknologian laajempien kehon alueiden käyttöön, tuottaen monimutkaisempia tuntemuksia, ja jopa tutkimaan ihmisen haptisten vihjeiden havaitsemista, jotka olivat aiemmin vaikeita luoda.”

– Ensimmäinen tekijä Natalia Sanchez, tohtorikoulutuksen opiskelija MPI-IS:ssä

Sijoittaminen aivo-tietokone -liitäntätilaan

Useimmat aivo-tietokone -liitäntöjä kehittävät yritykset ovat edelleen yksityisiä, mikä vaikeuttaa tavallisten sijoittajien pääsyä alaan. ClearPoint Neuro (CLPT ) on yksi harvoista julkisista poikkeuksista. Se ei itse valmista BCI:itä, mutta sen MRI-opastetut kirurgiset työkalut ovat jo käytössä sairaaloissa hermolaitteiden istuttamiseen. Tämä tekee siitä taustalla toimivan toimijan, joka edistää alaa – ja harvinaisen mahdollisuuden sijoittaa tähän sektoriin julkisen markkinan kautta.

ClearPoint Neuro Inc.

ClearPoint Neuro, geeniterapian mahdollistava yritys, erikoistuu tarkkaan navigointiin aivoihin ja selkärankaan. Tarjoamalla alustoja, jotka helpottavat laitteiden tarkkaa sijoittamista aivoissa, sen teknologia näyttelee tärkeää roolia BCI-järjestelmien kehittämisessä ja soveltamisessa.

Yli 50 yhteistyökumppanin kanssa biofarmasian alalla ja yli 75 neurokirurgian keskuksen globaalisti, ClearPoint on hyvin asemoitunut kasvamaan tässä nousevassa teollisuudessa.

Markkina-arvolla 387 miljoonaa dollaria, yhtiön osakkeet kaupankäyvät tällä hetkellä 13,86 $, alhaisempi 9,75 % tänä vuonna. Sen EPS (TTM) on -0,70 ja P/E (TTM) -19,68, eikä osakkeenomistajille tarjota osinkoa.

Yrityksen taloustietoja tarkasteltaessa ClearPoint raportoi 31,4 miljoonan dollarin liikevaihdon vuodelle 2024. 31 %:n kasvu edellisvuodesta oli kymmenennen peräkkäisen kasvuvuoden merkki. Tänä aikana se saavutti myös 61 %:n bruttokateprosentin myynnistään, mikä on 4 %:n nousu edellisvuodesta.

“Tämä oli “vahvin taloudellinen ja strateginen suorituskyky,” totesi toimitusjohtaja Joe Burnett, lisäten: “Erittäin tärkeää on, että koemme siirtyneemme ClearPointin seuraavaan vaiheeseen yhtiönä, vaiheeseen, jonka kutsumme ‘Fast. Forward.’”

Kun yhtiö on maksanut aikaisin takaisin 10 miljoonan dollarin konvertoitavan velkakirjan, sillä ei ollut lainkaan jäljellä olevaa velkaa vuoden lopussa. Tänä aikana kulutettu käteinen oli 9 miljoonaa dollaria, 35 % vähemmän kuin mitä ClearPoint kulutti vuonna 2023. 31. joulukuuta 2024 yhtiöllä oli käteistä ja käteisen vastaavia 20,1 miljoonaa dollaria.

Viimeisimpänä yhtiö on hakenut FDA:lta lupaa laajentaa ClearPoint Prism Neuro Laser Therapy System -järjestelmän käyttöä MRI:ssä. Tämä siirto voi mahdollisesti avata tällä hetkellä saavuttamattoman Yhdysvaltain interstitiaalisen lämpöhoidon (LITT) markkinan yhtiölle.

Uusimmat tiedot Clearpoint Neuro Inc.:stä

Yhteenveto

Kyvyllään määrittää meidän aikeemme liikkua tai hallita ympäristön elementtejä suoraan aivojen toiminnasta, aivo-tietokone -liitännät (BCI) osoittavat valtavan potentiaalin mullistaa, miten ihmiset, erityisesti vammaiset, ovat vuorovaikutuksessa teknologian ja ympäristön kanssa. BCI:t mahdollistavat käyttäjien ohjata laitteita pelkästään ajatuksillaan.

Pitt Medin tutkimus, joka antaa käyttäjille mahdollisuuden luoda omia taktiilisia ympäristöjään, merkitsee tärkeää siirtymää pelkästään toiminnan palauttamisesta kokemuksen palauttamiseen. Se osoittaa, että proteesit voivat olla enemmän kuin vain työkaluja; ne voivat todellakin olla itseemme jatkeita.

Tämä on kuitenkin vasta alkua, ja parannusmahdollisuuksia on runsaasti. Kuitenkin BCI-järjestelmien kehittyessä keinotekoisen ja biologisen tunteen välinen raja hämärtyy, ja sen myötä kehittyvät kyvyt, jotka muokkaavat tapaamme havaita, olla vuorovaikutuksessa ja jopa määritellä tietoisuuden.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista aivo-tietokone -liitäntäyrityksistä.

Tutkimukset viitattu:

1. Verbaarschot, C., Karapetyan, V., Greenspon, C. M., Cramer, A., van der Kouwe, A., Wendelken, S., … & Andersen, R. A. (2025). Conveying tactile object characteristics through customized intracortical microstimulation of the human somatosensory cortex. Nature Communications, 16, 4017. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58616-6