Tenk deg at du har måttet amputere armen og nå må klare deg med en kunstig hånd. Du kan bevege den rundt, dytte borti ting, trykke på en lysbryter.
Men du kan ikke bruke fingrene til å føle med, til å kjenne om det du tar i er varmt eller kaldt, om du griper om noe for hardt eller for løst.
Nå jobber forskere på NTNU med å utvikle løsninger der hjernen skal greie å fange opp sanseinntrykk fra proteser, behandle dem og bruke dem til å kontrollere bevegelser, nærmest som om det var en vanlig hånd.
Dette skal skje uten at vi må operere inn batterier og ledninger.
Ali Khalegi, Sandra Yuste Murios og Ilangko Balasingham ved NTNUs Institutt for elektroniske systemer. De har nå begynt å teste kunstige nervesignaler på aper.(Foto: Ingebjørg Hestvik)
Skaper sanseinntrykk
– En kunstig arm har ingen følelser som kan hjelpe til med å kontrollere armen. Man kan bruke synssansen, men man mangler berøringssansen. Vi prøver å utvikle en løsning som integrerer en rekke sensorer på armen og hånden og sender dette til den delen av hjernen som behandler denne typen sanseinntrykk, forklarer professor Ilangko Balasingham ved Institutt for elektroniske systemer på NTNU.
Ideen er å bruke mest mulig av kroppens egne systemer – og minst mulig kunstige deler.
– Poenget er å kommunisere med hjernen uten å måtte operere inn ledninger. Ledninger øker faren for infeksjoner. De kan være i veien, gå i stykker. De utgjør et problem, sier Balasingham.
I stedet skal informasjon fra sensorene sendes i form av mikrobølger – radiobølger i bølgespekteret 400 til 2500 megahertz – gjennom fettlaget vi har under huden. Underhudsfettet egner seg godt ettersom det gir mindre demping av elektriske signaler, sier Balasingham.
– Dette er på grunn av noe som heter den dialektiske konstant. Fett har fem mens luft har en. Det betyr at luft har ingen demping for radiosignaler siden den er en. Fett har litt demping siden den er fem. Muskler har 58, altså mye demping. Det betyr at hvis vi kan bruke fettlaget for overføring av radiosignaler vil signalet få liten demping. Dermed kan signalet sendes over lengre avstander.
Implantat i hjernen
I hjernen blir signalet tatt i mot av et implantat som gir elektriske stimuli til det aktuelle senteret som skal behandle det kunstige sanseinntrykket.
– Over tid vil hjernen trenes opp til å forstå hva signalet betyr. Et bestemt signal kan bety varm mens et annet betyr kald. Vi har i dag god kunnskap om hvordan hjernen behandler slik informasjon, og vi vet hvordan hjernen er i stand til å lære seg å tolke nye signaler, sier Balasingham.
Når det kunstige sanseinntrykket er behandlet, vil et annet implantat fange opp hjernens «ut-signal» og sende det tilbake til protesen slik at den gjør de bevegelsene hjernen ber den om.
Foreløpig prøver forskere ut systemet på aper.
– De skal nå gå med dette systemet i et halvt år. Slik får vi data om hvordan hjernen lærer seg å bruke signalene, sier Balasingham.
Bruker hjernens signaler
Men hvordan fungerer denne kommunikasjonen mellom den menneskelige hjerne og de elektroniske komponentene?
Annonse
Balasingham viser fram youtube-videoen «monkey mind pong». Dette er Tesla-millionær Elon Musks forskningsprosjekt. Der lar de en ape spille et enkelt videospill ved hjelp av en joystick.
Apen har fått operert inn implantater i hjernen som registrerer hvordan nevronene fyrer av mens hånden beveger joysticken. En datamaskin registrerer aktiviteten i hjernen.
AI står for «artificial intelligence», kunstig intelligens. Dette AI-systemet bruker informasjonen til å forutse hvilke bevegelser hjernen vil be hånden om å utføre.
Etter hvert blir joysticken koblet fra maskinen og apen spiller videre, nå med direkte trådløs kommunikasjon mellom implantatet i hjernen og videospillet.
– Når hjernen har lært seg å tolke signalene, er det nok for apen å tenke at den beveger joysticken. Om du har en normal hånd, vet hjernen hvordan den skal tolke nervesignalene. Om du har mistet en arm og må begynne å bruke en protese, må hjernen lære seg å tolke signalene på nytt, forklarer Balasingham.
Sandra Yuste Murioz er del av forskergruppen som utvikler trådløs kommunikasjon mellom hjerne og proteser.(Foto: Ingebjørg Hestvik)
Ingen stor utfordring for hjernen
At nervesignalene som sendes til hjernen er kunstige, skal ikke være noen stor utfordring for den menneskelige hjernen, skal vi tro forskerne ved NTNU.
På sikt ser de for seg at implantater i hjernen skal greie å oppfatte nervesignaler og være i stand til å sende stimuli til alle deler av nervesystemet vårt.
På denne måten vil et brudd i nervebanen mellom hjernen og resten av kroppen ikke nødvendigvis gjøre at man blir ute av stand til bruke bestemte deler av kroppen.
– Hvert år registreres det på verdensbasis mellom 250.000 og 500.000 ryggmargsskader. Ved å designe en trådløs, høyhastighets toveiskommunikasjon vil vi gjøre det mulig for den menneskelige hjerne å kommunisere direkte med utstyr og datamaskiner, sier Balasingham.
Forskerne lader systemet trådløst samtidig som de overfører data til implantatet.
Med et system som alltid er på, blir det mulig å kontinuerlig motta sanseinntrykk og stimulere nerveceller hvor som helst i nervesystemet, uten medisinsk hjelp utenfra, forklarer han.
