Går det att koppla ihop hjärnan med en dator? Absolut. Forskningen på området är intensiv, och förhoppningarna inför framtiden är stora. Vår avancerade kunskap om digital teknik tillsammans med nya möjligheter att kartlägga hjärnans funktioner gör att många på allvar tror att det snart ska gå att samköra vårt nervsystem med den elektronik som omger oss.
Varför inte ladda ner hjärnans innehåll på ett datachip, till exempel? Och leva vidare efter döden, som mjukvara på en hårddisk.
Men det är knappast där dagens forskning befinner sig.
Så tidigt som 1998 gjordes de första försöken med inplanterade elektroder i mänskliga hjärnor på några helt förlamade patienter med så kallat locked-in-syndrom i Atlanta i USA. En av dem kunde lära sig föra en pekare fram och tillbaka på en datorskärm. Det var första steget mot att skapa rörelser direkt ur nervcellernas signaler med hjälp av direktkoppling till hjärnan – Brain Computer Interface, BCI.
En av pionjärerna inom BCI-forskningen är brasilianaren Miguel Nicolelis vid amerikanska Duke-universitetet. Han har ägnat sig åt att avläsa och analysera nervsignalerna från hjärnans rörelsecentrum hos apor.
Tunna elektroder i hjärnbarken läser av vilka signaler som uppstår under vissa bestämda rörelser. De här signalerna har han sedan låtit en dator omvandla för att styra till exempel en gripklo. Han är en av de första som verkligen visat att det går att kontrollera en apparat med nervsignaler från hjärnan.
2008 gjorde han sensation med ett försök som utfördes tillsammans med japanska robottekniker. En rhesusapa belönades för att gå på ett rullband. Samtidigt registrerades nervsignalerna från den plats i apans hjärnbark som styr benens rörelser. Elektroder i hjärnan plockade upp signalerna från över 250 nervceller.
Med hjälp av höghastighetskameror filmades också hur apan rörde på höfter, ben, knän och fötter mycket exakt.
Med hjälp av bilderna och nervsignalerna kunde en dator sortera fram exakt vilka serier av nervimpulser som ledde till vilka rörelser.
Eftersom det ligger en kort fördröjning mellan signalerna från hjärnan och själva handlingen så fick datorn dessutom en kort framförhållning. Den kunde förutsäga hur apan skulle röra benen en sekund innan det hände.
Informationen skickades sedan via Internet från North Carolina i USA till Kyoto i Japan där en robot med en människoliknande motorik plockade upp signalerna.
Apan kunde se roboten på en bildskärm, och när apan gick på bandet började roboten röra sig i exakt samma takt.
Eftersom apan belönades för att den kontrollerade roboten fortsatte den till och med att driva på roboten en stund efter att rullbandet stängts av, enbart med tankarna.
Det lyckade experimentet visade att det går att översätta neuronernas elektrokemiska brus till tydliga och begripliga signaler.
Men också att en liten rhesusapa kan kontrollera en 250 kilos mekanisk robot, bara genom att tänka på vissa rörelser. Det öppnade vissa perspektiv för framtida försök. Vad skulle inte en människa kunna åstadkomma med den här teknologin?
Redan 2006 visade amerikanen John Donoghues forskarlag att principerna fungerar på människor också. I en mycket uppmärksammad artikel i Nature visade de i bild och text hur det kan gå till. Matt Nagle var en 25-åring som varit totalförlamad från halsen och neråt sedan han fått ett knivhugg mellan den tredje och fjärde nackkotan när han försökte hjälpa en kamrat ur ett slagsmål.
Nagle fick en kiselplatta med etthundra stycken millimeterlånga nålar inopererad i den motoriska delen av hjärnbarken. Nålarna plockade upp impulser från hjärnan, och via en sladd genom skallbenet drogs signalerna till en förstärkare, och sedan vidare till en dator för analys.
Genom att låta Nagle tänka att han genomförde vissa rörelser kunde forskarna på bara några minuter ställa in datorn så att han kunde flytta en markör över skärmen.
Han kunde med hjälp av Donoghues apparat sköta en tv, öppna e-post, spela spel och även rita på skärmen.
– Jag kan inte förklara det. Jag bara… använder hjärnan, sa Nagle i en intervju. Jag sa ”Markör, gå längst upp till höger” Och så gjorde den det.
Nagles hjärnkontakt togs bort efter ett år enligt de föreskrifter som satts upp för försöket av de amerikanska myndigheterna.
Försöket visade att det gick att genomföra, men också att det finns många problem kvar att lösa. Till exempel försämras elektroderna snabbt av korrosion genom kontakten med vätskan i hjärnan. Lösningen med elektriska ledningar dragna genom skallbenet är inte heller bra, eftersom det lätt leder till svåra infektioner.
Redan 2005 hade den nämnde Miguel Nicolelis lärt en apa att styra en robotarm med gripklo för att lyfta upp föremål med hjälp av ett implantat i den motoriska hjärnbarken.
Under 2008 utvecklades den idén av ett forskarteam i Pittsburgh under ledning av Andrew Schwartz till en ännu mer imponerande uppvisning.
Två makakapor placerades i var sin liten stol. De fick stoppa in sina armar i två rör, så att de inte kunde använda dem under experimentet. I stället satte forskarna fast en lös robotarm med gripklo på apornas vänstra sida.
Den mekaniska armen var rörlig i axelleden, armbågen och handleden och styrdes av ett BCI, alltså en anordning som översatte signaler från apornas hjärnor, via elektroder i den motoriska hjärnbarken.
På två dagar lärde sig aporna att styra robotarmen för att plocka upp matbitar och stoppa in dem i munnen. Efter lite träning använde de den konstgjorda armen nästan som om den varit deras egen. De sträckte ut armen, stannade upp, grep tag i matbiten och lossade den från pinnen där den satt fast, förde den till munnen och släppte taget. Allt i en enda sammanhängande rörelse. De lärde sig till och med att slicka av ”fingrarna” på gripklon efter att ha tagit på en kladdig marshmallow.
Det nya med det här försöket var att låta hjärnans motoriska impulser styra något som liknade en protes som försöker efterlikna en verklig kroppsdel. Och det lyckades över förväntan. Schwartz makaker visade att det tycks vara relativt enkelt att lära hjärnan använda en konstgjord extremitet.
Men många människor har drabbats av funktionshinder på grund av brott i nervsystemet, till exempel skador på ryggmärgen som leder till förlamning.
Ett fungerande BCI skulle teoretiskt kunna överbrygga ett sådant brott, och kanske få gamla fungerande nervbanor och muskler bortom skadan att leva upp igen – till exempel få rullstolsburna personer att resa sig upp och gå.
Det har Seattleforskaren Eberhard Fetz försökt göra. Hans grupp lät en apa (förstås) skicka signaler från neuroner i rörelsecentrum på samma sätt som i de föregående modellerna.
Men istället för att låta signalerna styra någon sofistikerad robot, eller annan mekanisk anordning, så skickades signalerna efter tolkning och digital omvandling i datorn till apans egen handled, och där kunde de få den lilla handen att vridas fram och tillbaka. Det låter kanske inte så imponerande, men det viktiga var att Fetz hade stängt av nervförbindelsen i apans överarm med ett bedövningsmedel, så hjärnan hade ingen kontakt med handen, annat än indirekt, via elektroderna i hjärnbarken och datorn.
Den här typen av direkt elektrisk stimulering av de egna musklerna är fortfarande under utveckling och det går ännu inte att åstadkomma någon finmotorik på det sättet. Men det var vad forskarna kallar ”proof of principle”, med ett engelskt uttryck. Det betyder att man visat att principen fungerar och att det är möjligt att jobba vidare för att förfina verktygen.
Fetz apa visade också än en gång att det inte är svårt att träna upp hjärnan att anpassa sig till de här syntetiska rörelserna. Att hjärnan är flexibel är en gammal sanning, och i det här experimentet gick det enkelt att träna upp nervceller som normalt aldrig styrt handledens rörelser till att börja göra det.
Dagens forskning kring sammankopplingen mellan hjärna och dator handlar framför allt om att hitta hjälpmedel för funktionshindrade personer. Elektroniska implantat som hjälper nervsystemet finns redan för syn och hörselskadade och i laboratoriet finns prototyper för hur man ska ansluta hjärnan till elektronisk utrustning av olika slag. Men svårigheterna är fortfarande många.
Hjärnan är ingen dator, så mycket vet vi idag. En dator kan blixtsnabbt ta hand om enorma mängder sifferdata och utföra miljontals matematiska operationer på nolltid. Den kan eller leta efter information enligt bestämda sökkriterier i oändligt stora moln av digital kunskap. Det kan inte hjärnan.
Den fungerar enligt helt andra principer. Principer som vi idag bara börjat förstå. Men det visar sig alltså att det går att tolka hjärnans signaler och översätta dem till ett språk som datorn begriper. Åtminstone när det handlar om att styra musklerna för att åstadkomma rörelser. Minnen, tankar och känslor ligger fortfarande fördolda bland de miljarder celler som bygger upp våra hjärnor.
Den apparatur som används i de försök som beskrivits här är relativt klumpig laboratorieutrustning, som kräver teknisk hjälp för att både flytta och hantera.
Vad som krävs för att skapa fungerande hjärnstyrda hjälpmedel är alltså i första hand teknisk utveckling av apparaturen som gör om nervernas språk till maskinspråk.
Men även då är vi bara i början på den här utvecklingen, för en verkligt användbar protes behöver också kunna ge information tillbaka till hjärnan, så att en mekanisk hand inte krossar frukten den tar tag i, eller så att den kan känna sig fram bland olika föremål.
Ett annat tekniskt problem är att hitta en fungerande trådlös kommunikation mellan elektroderna i hjärnan och den apparat som ska analysera informationen. Det systemet måste också kunna förses med energi för långvarigt bruk, utan batterier innanför skallbenet. Det finns inte idag, men anses av många forskare inte vara något olösligt problem.
Men om man kan sända information till hjärnan via en trådlös förbindelse så öppnar sig frågor av en helt ny dimension. Är förbindelsen säker? Blir det möjligt att fjärrstyra individer, eller är det första steget mot en elektroniskt förbättrad människa med supersinnen?
Tala utan mun
Philip Kennedy, som gjorde några av de allra första sammankopplingarna mellan hjärna och dator på 90-talet, arbetar idag bland annat med att försöka spela in mänskligt tal direkt ur hjärnan.
En av hans patienter är en ung man som helt saknar tal- och rörelseförmåga efter en bilolycka, så kallat ”locked-in-syndrom”.
Under ett par års tid har Kennedy och hans medhjälpare låtit mannen föreställa sig att han uttalar ord som han får läsa på ett papper. Samtidigt registreras nervaktiviteten i talcentrum och skickas till en dator med talsyntetisator.
Efter mycket träning kan mannen nu ”tänka fram” ett antal vokalljud, som samtidigt ljuder i datorns högtalare.
Det har visat sig att signalerna för talet uppstår där själva pratandets motorik styrs i hjärnan.
Att kartlägga det mänskliga talets alla finmotoriska avstämningar mellan tunga, läppar, käkar och strupe är betydligt svårare än att hitta formlerna för armarnas och benens rörelser. Språkets konsonanter är fortfarande alltför komplicerade för avkodning.
Implantat i öron första maskinella kontakten med hjärnan
Hundratusentals hörselskadade personer över hela världen har så kallade cochlea-implantat. Det är en liten apparat som tar upp omgivningens ljud och omvandlar det till signaler som skickas till hörselnerven, för vidare transport till hjärnans hörselcentrum. Detta är i strikt mening en direktkoppling mellan en apparat och hjärnan. I det här fallet är det en apparat som förstärker hjärnans intag av information.
Försök med liknande teknologi för ögat pågår. En liten kamera på huvudet ska kunna skicka signaler till synnerven och via syncentrum ge en enkel bildupplevelse.
Personer som lider av Parkinsons sjukdom eller epilepsi har försetts med implanterade elektroder som ska ge impulser för att minska de besvärliga symptomen från sjukdomarna.
Kan hackers ta över hjärnan?
I all datorkommunikation finns risken för ovälkomna intrång. Det gäller även medicinska implantat. Forskare vid Harvard har visat att det går att kapa en pacemaker med hjälp av en radiosändare.
En trådlös datorförbindelse är förmodligen inget större problem för den som har de rätta kunskaperna.
Samtidigt är det riskabelt att omge systemen med allt för sträng säkerhet, om till exempel en läkare behöver akut tillgång till patientens apparatur.
Bättre elektroder utvecklas i Sverige
Hur ska man få hjärnans känsliga vävnader att acceptera att elektriska ledningar av olika slag stoppas in bland nervcellerna? Det är ett av de avgörande problemen för alla slag av BCI – tekniker.
Kroppen reagerar normalt direkt på alla främmande föremål och bäddar in dem i skyddande lager av vätska. Elektroder drabbas snabbt av nedbrytning och måste bytas ut för att fungera.
Det finns olika slag av hjälmar och mössor för att ta upp signaler från hjärnans alla processer. Men de är allt för oprecisa för att få den exakthet och höga upplösning i avläsningen som oftast krävs. Man måste gå in och fånga upp impulserna bland de grå cellerna.
I Lund arbetar cellbiologer, hjärnforskare och fysiker tillsammans för att lösa det här problemet. Målet är att skapa elektroder i nanoformat som är så små att de ska kunna placeras i enskilda nervceller. Man tittar på hur nervceller fungerar och växer tillsammans med olika halvledarmaterial och hur de skulle kunna ytbehandlas så att de inte stöts bort.
De här elektroderna ska sedan användas för att registrera hjärnans egna signaler, för ren grundforskning eller för att styra avancerade proteser. Men tanken är också att också konstruera elektroder som ska leverera impulser för att lindra smärta och hjälpa Parkinsonsjuka.
Agneta Richter-Dahlfors vid Karolinska Institutet fick stor uppmärksamhet under 2009 när hennes forskargrupp presenterade något som liknade en konstgjord nervcell, som skulle kunna ersätta de traditionella elektroderna åtminstone när det gäller att skicka in impulser till hjärnan. Den består av ett tunt rör av ledande plast, som innehåller hjärnans egna signalämnen, och alltså fungerar med kemi och inte elektricitet.