Hjernen. Illustrasjonen viser en chip i hjernen.
Et implantat i hjernen skal gi elektriske stimuli til senteret som skal prosessere det kunstige sanseinntrykket. Nei, det kommer ikke til å se ut som dette. Illustrasjonsfoto: Colourbox

Trådløst nett under huden skal snakke med hjernen

Hvordan få en kunstig hånd eller fot til å kommunisere med hjernen? NTNU-forskere vil bruke fettlaget vi har under huden.

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, prosessere 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.

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 ved NTNU.

Hjernen. Bildet viser Ali Khalegi, Sandra Yuste Murios og Ilangko Balasingham.

Biologisk signalbehandling: 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

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 5 mens luft har 1. Det betyr at luft har ingen demping for radiosignaler siden den er 1. Fett har litt demping siden den er 5. 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 prosessere «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 prosessert, 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?

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 computer registrerer aktivititeten i hjernen. AI-systemet (artificial intelligence/kunstig intelligens) bruker informasjonen til å forutse hvilke bevegelser hjernen vil be hånden om å utføre.

Hjernen. Bildet viser Sandra Yuste Murioz.

Medisinsk elektronikk: Sandra Yuste Murioz er doktorgradsstudent ved Institutt for elektroniske systemer på NTNU. Hun er del av forskergruppen som utvikler trådløs kommunikasjon mellom hjerne og proteser. Foto: Ingebjørg Hestvik

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.

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 verdenbasis 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. Vi lader systemet trådløst mens man samtidig overfører data til implantatet. Takket være dette systemet, som alltid er på, blir det mulig å kontinuerlig motta sanseinntrykk og stimulere nerveceller hvor som helst i nervesystemet, uten medisinsk hjelp utenfra, sier Balasingham.