Aju-arvuti liidesed aitavad halvatutel suhelda ja liikuda

Ajaloo koidikust peale on otsitud võimalusi parandada halvatud inimeste elukvaliteeti. Üks lahendus on aju ja arvuti liidesed, mis võimaldavad suhelda arvuti või telefoniga ainuüksi mõtete abil. Seadmed muutuvad üha võimekamaks ja äratavad ärihuvi.

Maailmas on ligi 40 inimesele siirdatud implantaat, mis ühendab aju arvutiga. Üks neist on ameeriklane James Johnson. 2017. aastal vigastas Johnson spordiõnnetuses kaela ega olnud enam võimeline liigutama oma käsi, jalgu ega keha. 43-aastase mehe elu muutus otsekohe trööstituks.

Peagi tegid California tehnoloogiainstituudi teadlased halvatud Johnsonile ettepaneku liituda aju-arvuti liidese uuringuga. Nad selgitasid, et esmalt siiratakse patsiendi ajukoorde kaks elektroodivõret, mis registreerivad närvikoe rakkude elektrilisi signaale ehk närviimpulsse. Need signaalid edastatakse arvutisse, kus tõlgendatakse algoritmide abil patsiendi mõtteid ja kavatsusi. Seejärel teeb süsteem seda, mida patsient oli soovinud: käivitab arvutiprogrammi või liigutab proteesiseadet. Teadlased hoiatasid, et tulemuste saavutamiseks võib kuluda mitu aastat treeninguid, ent Johnson ei kõhelnud hetkegi. Juba aasta pärast oli halvatud mees õppinud implantaadi abil arvutiekraanil kursorit liigutama. Praegu suudab ta mõtte jõul kontrollida robotkätt, luua Photoshopi tarkvaraga kunsti ja mängida arvutimänge. Ühel päeval loodab James Johnson jälle autot juhtida.

Aju-arvuti liides on otsekui mikrofon, kuid heli asemel salvestab see neuronite elektrilist „vestlust“. Eristatakse mitteinvasiivseid, osaliselt invasiivseid ja invasiivseid liideseid. Esimesed mõõdavad närviimpulsse kolju pinnalt. Osaliselt invasiivsete liideste korral paigaldatakse elektroodid ajukoore pinnale. Invasiivsed ehk organismi sisenevad liidesed siirdab neurokirurg ajukoore sisse. Mida lähemal elektroodid neuronitele asuvad, seda edukamalt saab närviimpulsse tõlgendada. Mitteinvasiivsete liidestega saab näiteks virtuaalreaalsuses mängida või roboteid juhtida. Selleks et taastada halvatud ja lihasdüstroofiaga patsientide võimeid, kasutatakse invasiivseid liideseid.

Mõttejõul kirjutamine. Et halvatud patsient saaks trükkida, siirdasid teadlased tema motoorsesse ajukoorde elektroodid ja registreerisid närviimpulsse, kui ta kujutles teksti kirjutamist. Saadud andmetega treeniti algoritm, mis ennustab ajutegevuse mustrite põhjal tähti. Automaatkorrektuuri kasutades saavutati väljundteksti täpsuseks 99%. Foto: Horisont

Pool sajandit arendustööd

Aju-arvuti liideste uuringud said alguse 1970. aastatel. Pikka aega mõõtsid teadlased reaalajas ahvide motoorse ajukoore aktiivsust ning püüdsid loomade liigutusi seostada nende närviimpulsside mustritega. 2004. aastal siirati aju-arvuti liides esimest korda inimese ajukoorde. Katsealune oli pussitamise tõttu halvatuks jäänud Matthew Nagle. Peagi õppis noormees mõtte jõul arvutiekraanil kursorit liigutama. Ta on öelnud: „Ma ei oska seda sõnadesse panna. Ma lihtsalt mõtlesin. Ma ütlesin: „Kursor, liigu üles paremale.“ Ja nii juhtuski. Nüüd saan ma kursorit üle kogu ekraani juhtida. Nõnda tunnen end iseseisvalt: saan omal jõul hakkama.“ Peale selle sai Matthew telekanaleid vahetada, e-kirju avada ning käeproteesi kontrollida.

Liigutused kippusid olema aeglased ja ebatäpsed, aga eksperiment kinnitas, et närviimpulsside abil on võimalik seadmeid juhtida. Viimastel aastatel on suutlikkus interpreteerida närviimpulsse jõudsalt kasvanud. Suurima tõuke on andnud masinõpe. Varem nõudis aju tegevusmustrite tõlgendamine palju aega ja vaeva, kuid masinõppe tõttu on palju lihtsam mustreid kasutaja kavatsustega seostada.

Möödunud aastal äratas tähelepanu California ülikooli neurokirurgi Edward Changi juhatusel loodud abivahend kõnevõimetutele inimestele. Katsealune oli 47-aastane Ann, kes oli 18 aastat tagasi insuldi tõttu kõnevõime kaotanud. Anni ajukoorele paigaldati õhuke 253 elektroodiga implantaat, mis suudab korraga registreerida tuhandete neuronite aktiivsust. Sel ajal, kui Ann püüdis öelda 249 etteantud lauset, salvestas seade tema närviimpulsse. Saadud andmete põhjal treenitud masinõppemudel oli võimeline ajutegevuse mustrite põhjal ennustama, mida patsient öelda püüab. Implantaadi abil suutis Ann „kõnelda“ 78 sõna minutis. Kuigi umbes veerand sõnadest polnud õigesti dekodeeritud, ületab see siiski varasemaid tulemusi. Tekst, mida Ann öelda tahab, kuvatakse ekraanile. Ühtlasi loeb selle ette virtuaalne avatar, kelle häält on treenitud Anni pulmavideo abil.

Kõneneuroproteesi tehnoloogia taastamaks halvatusega patsiendi kõnet. Foto: Horisont

Esialgu on aju-arvuti liideste uuringutega hõivatud vaid kümmekond asutust. Kõige rohkem implantaate toodab firma Blackrock Neurotech, ent kõige kuulsam ettevõte on Neuralink, mis on asutatud 2016. aastal Elon Muski kaasosalusel. Neuralinki tuntusele aitavad kaasa Elon Muski karismaatilisus ja suur sotsiaalmeedia jälgijaskond.

Neuralink arendab 1024 elektroodiga implantaati N1, mis on nii pisike, et selle siirdamiseks ajju kasutatakse robotit. Seadmel on juhtmevabalt laetav aku ja seda saab ühendada nutitelefoniga. Pärast katseid rottide, ahvide, lammaste ja sigadega siirati N1 tänavu jaanuaris esimest korda inimesele, 29-aastasele Noland Arbaugh’le, kelle kõik jäsemed on selgroovigastuse tõttu halvatud. Hiljuti levis internetis video, kus Arbaugh mängib implantaadi abil arvutiga malet. Samas pole Neuralink tänini avaldanud ühtki teadusartiklit ja infonappuse tõttu ei saa tulemusi objektiivselt hinnata.

Aju-arvuti liidesed võiksid leevendada puuetega patsientide kannatusi ning taastada nende võimed. Samas on seesugune tehnoloogia hakanud imbuma ka teistesse valdkondadesse. Näiteks on USA kaitseministeerium juba rahastanud uuringuid, mille eesmärk on arendada telepaatilisel teel juhitavaid droone. Enne laialdasemat kasutuselevõttu vajavad implantaadid siiski veel palju täiustusi. Tuleb tõestada, et seadmed püsivad töökorras pikka aega ning töötavad võrdselt hästi iga kasutaja korral. Pealegi kaasnevad liidestega uued turvariskid ja eetilised probleemid. Praegu ei võimalda tehnoloogia patsientide isiklikke mõtteid lugeda, kuid arendajatel on olemas salvestised suhtlusest katsealusega ja ka andmed nende aju seisundi kohta. Seetõttu peab seaduslik järelevalve pidama sammu kiirelt areneva tehnoloogiaga.

Ülar Allas (1977) on molekulaarbioloog, Tartu ülikooli arvutiteaduse instituudi teadusarvutuskeskuse konsultant. Doktoritöös uurinud antibiootikumide toimemehhanisme ja antibiootikumiresistentsust. Teinud koostööd 2017. aasta Nobeli keemiaauhinna laureaadi Joachim Frankiga. Tuntud ka kui DJ Smaddy.

Intervjuu ilmus ajakirja Horisont juuni-juuli numbris.