Pantelis Lioumisin johtamassa hankkeessa Aalto-yliopiston tutkijat kehittivät alustan, joka yhdistää reaaliaikaisen EEG-mittauksen ja aivojen magneettistimulaation. Hanke toteutettiin yhteistyössä Bittium Biosignalsin kanssa Vaikuttavuussäätiön rahoituksella. Sen tavoitteena oli selvittää, voisiko potilaan omaa aivotoimintaa hyödyntää aivostimulaation käynnistämisessä ja siten tukea tehokkaampaa kuntoutusta.
Hankkeen nimi: Brain–Computer Interface for Automated EEG-guided Brain Stimulation
Hankkeen vastuullinen johtaja: Pantelis Lioumis, Aalto-yliopisto
Hankekumppanit: Aalto-yliopisto ja Bittium Biosignals
Vaikuttavuussäätiön myöntämä rahoitus: 210 703 €
Kun ihminen haluaa liikuttaa kättään, aivot lähettävät hermoston kautta viestin lihaksille. Terveessä kehossa viesti kulkee perille ja liike tapahtuu. Selkäydin- tai aivovamman jälkeen yhteys voi kuitenkin vaurioitua tai katketa.
Aalto-yliopiston tutkimusryhmä tutkii, miten aivojen ja kehon välistä yhteyttä voisi vahvistaa uudelleen. Brain–Computer Interface for Automated EEG-guided Brain Stimulation -hankkeessa ryhmä selvitti, voisiko potilaan oma aivotoiminta ohjata kuntoutuksessa käytettävää aivojen magneettistimulaatiota.
“Haluamme edistää kuntoutusmenetelmiä hyödyntämällä potilaan omaa aivotilaa aivostimulaation käynnistämiseen. Uskomme, että tämä voi tehdä kuntoutuksesta tehokkaampaa”, sanoo hankkeen vastuullinen johtaja Pantelis Lioumis, joka työskentelee Aalto-yliopistossa dosenttina ja TMS-laboratorion johtajana.
Kuntoutusta aivojen oman toiminnan mukaan
Hanke yhdistää EEG-mittauksen ja transkraniaalisen magneettistimulaation eli TMS:n. EEG mittaa aivojen sähköistä toimintaa päänahalta. TMS puolestaan stimuloi tiettyjä aivoalueita magneettipulssien avulla.
Keskeinen ajatus liittyy ajoitukseen. Järjestelmä ei stimuloi aivoja sattumanvaraisesti, vaan mittaa, mitä aivoissa tapahtuu, ja käyttää tätä tietoa stimulaation ajoittamiseen.
Ajoituksella on merkitystä, koska aivot ovat joissakin hetkissä vastaanottavaisemmat kuin toisissa. Kun ihminen yrittää tai kuvittelee liikettä, kyseiseen liikkeeseen liittyvät hermosolut aktivoituvat. Jos stimulaatio annetaan samalla hetkellä, sen vaikutus voi olla voimakkaampi.
Lioumis kuvaa ajatusta tunnetun neurotieteen periaatteen kautta: yhdessä aktivoituvat hermosolut kytkeytyvät yhteen.
“Elämme uudenlaista aivostimulaation aikakautta. Emme enää stimuloi aivoja sattumanvaraisesti. Hyödynnämme aivotilaa ja pyrimme stimuloimaan oikeaan aikaan ja oikeaan kohtaan”, Lioumis sanoo.
Tavoitteena on, että potilas ei olisi vain hoidon kohde vaan aktiivinen osa kuntoutusta. Hänen oma aivotoimintansa auttaisi järjestelmää tunnistamaan, milloin stimulaatio kannattaa antaa.
“Kuntoutusta voidaan tukea ja se voi tapahtua nopeammin”, Lioumis tiivistää.
Väitöskirjatutkija Matilda Makkonen on työskennellyt hankkeen mittausten ja reaaliaikaisen EEG-datan käsittelyn parissa. Tällaisessa tutkimuksessa järjestelmän täytyy tunnistaa merkitykselliset aivosignaalit ja samalla suodattaa pois häiriöitä.
“Oma roolini on ollut toteuttaa mittauksia terveillä koehenkilöillä, suunnitella koeasetelmia ja tehdä niihin liittyvää ohjelmistokehitystä”, Makkonen sanoo.
Tutkijat ovat nyt saaneet aikaan toimivan alustan. Seuraavaksi he käyttävät sitä tieteellisissä kokeissa, joissa verrataan erilaisia koeasetelmia ja tutkitaan, kuinka hyvin lähestymistapa toimii.
“Meillä on nyt alusta. Kokonaisuus toimii, ja nyt tutkimme, kuinka hyvin se toimii käytännössä”, Lioumis sanoo.
Bittiumin teknologia mahdollisti reaaliaikaisen stimulaation
Hankkeen yrityskumppani Bittium Biosignals on osa Bittium-konsernia. Bittium Biosignals kehittää lääketieteellisiä ja terveysteknologian laitteita, kuten EEG-järjestelmiä, EKG-mittalaitteita ja uniapnean kotitutkimuksiin tarkoitettua teknologiaa.
Bittium toi hankkeeseen tutkimuskäyttöön suunnitellun NeurOne EEG -järjestelmän. Järjestelmä lähettää mitatun EEG-datan ulos välittömästi, jolloin tutkijat voivat analysoida aivotoimintaa reaaliajassa.
“Bittiumilla on erittäin hyvä laitteisto ja ohjelmisto sen analysoimiseen, mitä aivoissa tapahtuu reaaliajassa. Maailmassa ei ole montaa EEG-yritystä, jotka pystyvät tähän”, Lioumis sanoo.
Yhteistyö käynnistyi luontevasti. Aalto-yliopisto ja Bittium olivat tehneet erilaista yhteistyötä jo lähes kymmenen vuoden ajan, ja Aallon tutkijat olivat käyttäneet Bittiumin laitteita tutkimuksessaan. Kun Lioumis näki Vaikuttavuussäätiön rahoitushaun, Bittium oli selvä kumppani hankkeeseen.
Bittium Biosignalsin neurotuotteiden tuotepäällikön Simo-Pekka Simonahon mukaan hanke tarjosi Bittiumille mahdollisuuden nähdä, miten sen teknologiaa voidaan hyödyntää vaativassa huippututkimuksessa.
“Aalto-yliopistossa tutkijat halusivat olla tällaisen tutkimuksen eturintamassa. Ja sitä he todella ovat”, Simonaho sanoo.
Yhteistyö teki teknisestä ominaisuudesta tutkimustyökalun
Käytännössä Aalto-yliopisto ja Bittium kävivät tiivistä vuoropuhelua. Tutkijat kertoivat, mitä he halusivat tehdä, ja Bittium auttoi heitä ymmärtämään, miten laitteisto voisi parhaiten tukea tutkimuksen tavoitteita.
“Laitteissamme voi säätää monia ominaisuuksia. Tutkijat kertoivat, mitä he halusivat saada aikaan, ja minä kerroin, millä eri tavoilla sen voisi tehdä. Sitä kautta kokonaisuutta rakennettiin yhdessä”, Simonaho sanoo.
Bittium avasi tutkijoille myös teknisiä yksityiskohtia, joita se ei tavallisesti käy asiakkaiden kanssa yhtä syvällisesti läpi. Tämä auttoi tutkijoita ymmärtämään, miten järjestelmää voisi hyödyntää juuri tässä tutkimusasetelmassa.
Lioumisin mukaan Bittiumin tuki auttoi tutkijoita välttämään turhaa työtä.
“He auttoivat meitä viemään ajatuksiamme eteenpäin. Meidän ei tarvinnut keksiä pyörää uudelleen”, Lioumis sanoo.
Yhteistyössä syntyi myös avoimesti saatavilla olevia ohjelmistoskriptejä, joilla voidaan lukea ja analysoida reaaliaikaista EEG-dataa. Bittium voi jakaa työkalua myös muille asiakkaille, jotka haluavat kokeilla vastaavia sovelluksia.
“Voimme nyt sanoa asiakkaille, että tällä voitte lähteä kokeilemaan”, Simonaho sanoo.
Hanke toi Bittiumille myös näkyvyyttä kansainvälisessä tutkijayhteisössä. Aalto-yliopiston tutkijat ovat esitelleet tutkimustaan ja siinä käytettyä NeurOne EEG -järjestelmää esimerkiksi konferensseissa.
“Parasta näkyvyyttä meille on se, että tutkijat käyttävät järjestelmäämme aivan uudenlaisessa tutkimuksessa”, Simonaho sanoo.
Hanke tuotti molemmille osapuolille jotakin arvokasta. Tutkijat saivat alustan uusille kokeille. Bittium sai palautetta, näkyvyyttä ja konkreettisen esimerkin siitä, miten sen EEG-teknologiaa voidaan käyttää vaativassa aivostimulaatiotutkimuksessa.
“Se on win-win”, Lioumis sanoo.
Askel kohti yksilöllisempää kuntoutusta
Hankkeen pidemmän aikavälin mahdollisuudet liittyvät yksilöllisempään ja automatisoidumpaan kuntoutukseen. Sen sijaan, että sama stimulaatio annettaisiin samalla tavalla kaikille potilaille, tulevaisuuden järjestelmät voisivat mukautua potilaan omaan aivotoimintaan.
Tutkijat voivat soveltaa hankkeessa kehitettyä alustaa myös muihin tutkimuskysymyksiin, kuten kognitiivisiin tehtäviin ja erilaisiin mielikuvaharjoittelun muotoihin. Lioumisille tämä tarkoittaa, että hanke ei ole päätepiste vaan alku.
“Tällainen rahoitus ja tällainen projekti on alku. Siitä lähdetään liikkeelle, ja sen jälkeen avautuu uusia suuntia”, Lioumis sanoo.
Työ jatkuu myös rahoitetun hankkeen jälkeen. Tutkijat suunnittelevat jatkotutkimuksia, joissa verrataan perinteisiä kuntoutusmenetelmiä uuteen, potilaan omaan aivotoimintaan perustuvaan lähestymistapaan.
Lioumis näkee yrityksillä laajemminkin tärkeän roolin siinä, että monimutkainen tutkimus saadaan lähemmäs käytännön sovelluksia.
“Tutkimus on usein melko monimutkaista, mutta yrityksillä on työkaluja tehdä siitä yksinkertaisempaa käytännön käyttöä varten”, hän sanoo.
Hanke on hyvä esimerkki siitä, miksi tutkimuksen ja yritysten yhteistyötä tarvitaan. Aalto-yliopiston tutkijoilla oli idea aivotoiminnan ohjaamasta stimulaatiosta, ja Bittium toi mukaan teknologian, jolla ideaa voitiin testata käytännössä.
Työ on edelleen tutkimusvaiheessa. Hanke on kuitenkin ottanut tärkeän askeleen kohti hoitolaitteita, jotka eivät ainoastaan stimuloi aivoja vaan reagoivat potilaan omaan aivotoimintaan.
