Tietokone toimii kuin ajatus

Tietokoneita käytetään vielä hiiren ja näppäimistön välityksellä, mutta tulevaisuudessa suora aivoliittymä korvaa nämä keinotekoiset ohjauslaitteet.

Ihmisaivojen sähköisen toiminnan mittaamisen sivutuotteena on syntynyt menetelmiä, joissa aivojen signaalit voidaan muuntaa tietoteknisen järjestelmän ohjauskomennoiksi. Näin tietokoneen ja ajatusten välille muodostuu suora yhteys, joka sivuuttaa aivojen normaalin viestintäkanavan, lihakset.

Tämä voi helpottaa esimerkiksi halvaantuneiden elämää, mutta tutkijoiden tavoitteena on vapauttaa ihmiset työpöydän orjuudesta antamalla heille mahdollisuus käyttää harmaata aivomassaansa hiirenä. Terveetkin ihmiset ovat usein tilapäisesti liikuntarajoitteisia, kuten leipoessaan tai kasseja kantaessaan. Suoralla aivo-ohjauksella voisi myös käyttää navigaattoria tai puhelinta irrottamatta käsiä auton ratista.

Ensimmäiseksi aivo-ohjaus tulee todennäköisesti pelimaailmaan, koska pelaajat eivät ole jämähtäneet yhteen ainoaan tapaan ohjata tietokonettaan ja he ovat halukkaita kokeilemaan kaikkea uutta.

Piirit päähän

Jokainen älyllinen toiminta, päätös, liike tai laskutoimitus synnyttää aivojen neuroniverkossa heikkoja sähköimpulsseja, jotka näkyvät aivosähkökäyränä (eeg eli elektroenkefalografia). 5–300 millivoltin jänniteheilahdukset voidaan mitata pään pinnalle sijoitetuilla antureilla. Sähkökentät vaimenevat nopeasti etäisyyden kasvaessa, joten useammalla anturilla voidaan tunnistaa se aivoalue, missä toiminta tapahtuu. Tuhansien synapsien on kuitenkin aktivoiduttava, jotta eeg-käyrässä näkyisi mitään muutoksia.

Aivosähkökäyrästä on erotettavissa kaksi taajuutta: alfa- ja beetarytmi. Edellinen on noin kymmenen hertsiä ja esiintyy levossa pimeässä huoneessa. Henkisten suoritusten aikana taajuus noin kaksinkertaistuu. Rytmin muutokset ovat havaittavissa yksinkertaisillakin mittalaitteilla. Markkinoilla on jo muutamia pelejä, joissa otsapanta mittaa pelaajan keskittymistä.

Sähkövirta synnyttää ympärilleen magneettikentän, joka voidaan havaita erittäin herkillä mittalaitteilla. Tilan täytyy kuitenkin olla häiriötön ja anturit on jäähdytettävä lähelle absoluuttista nollapistettä, joten menetelmä sopii lähinnä tutkimuslaboratorioihin.

Pienellä viipeellä aivojen toimintaa voidaan mitata aineenvaihdunnan tuotteiden, erityisesti hapen pitoisuuden muutoksista. Tämä näkyy toiminnallisessa magneettikuvauksessa (fmri, functional magnetic resonance imaging).

Ulkoiset mittalaitteet ovat kömpelöitä, ja tutkijat ennustavatkin, että kymmenen vuoden päästä langattomasti viestivät eeg-anturit istutetaan päänahan alle tai jopa suoraan aivojen pinnalle. Aivokuorelta mitattava elektrokortikografi (ecog) tunnistaa parin millimetrin säteellä anturista olevien aivosolujen toiminnan. Vielä tarkemmin aivotoimintaa voidaan havainnoida työntämällä elektrodien matriisi aivokuoren sisään.

Aivoakrobatiaa

Tällä hetkellä aivo-ohjauksella on monia haittapuolia perinteiseen hiireen verrattuna. Ohjaus on epätäsmällisempää ja hitaampaa, pää on kaapeloitava kalliilla laitteilla tietokoneeseen ja anturit on kiinnitettävä geelillä hiuspohjaan.

Etuna on erittäin runsas valikoima signaaleja, jotka joko vahvistavat tai torjuvat tarjottua valintaa. Varsinaisen ohjausdatan seasta voidaan etsiä viitteitä turhautumisesta, tyytyväisyydestä ja keskittymisestä. Näiden tietojen avulla ohjausjärjestelmä pystyy sopeutumaan entistä paremmin erilaisiin käyttötilanteisiin. Aivot muun muassa tuottavat alle millisekunnissa vasteen, jos toiminto ei vastaa niiden antamaa käskyä. Mittaamalla tämä vaste voidaan hyvin nopeasti korjata ohjelman väärä arvaus.

Useimmissa sovelluksissa käyttäjän on opeteltava tuottamaan oikeanlainen vaste. Mielikuvaharjoittelulla käydään esimerkiksi läpi liikesarjaa ja sarjan aivoimpulssit mitataan. Tämä aivosähkökäyrien hahmo sidotaan ohjelmallisesti tiettyyn ohjaukseen. Sama voidaan toteuttaa myös hyräilemällä mielessä kappaletta tai suorittamalla laskutoimituksia. Palaute- ja palkitsemisjärjestelmällä aivot voidaan opettaa hyvinkin akrobaattisiin suorituksiin.

Ohjaus voi perustua myös vihjeeseen. Käyttäjälle näytetään erilaisia vaihtoehtoja, ja hänen aivonsa reagoivat niihin. Vuosi sitten yhdysvaltalainen professori lähetti Twitteriin lyhyen, mutta virheettömän viestin pelkästään aivojen avulla. Hän poimi esitetyistä kirjaimista oikeat kahdeksan merkin minuuttinopeudella. Todelliseen tajunnanvirtaan päästään, kun ohjelmat oppivat tunnistamaan aivoaalloista kokonaisia sanoja.

Nettiä selataan katseella

• Katse on luonteva ja nopea väline osoittamaan visuaalinen mielenkiinnon kohde. Liikuntarajoitteisille se tuo helpotusta laitteiden ohjaamiseen, mutta myös terveet voivat käyttää katseenseurantaa esimerkiksi pelatessaan tai nettiä selatessaan. Tampereen yliopiston tutkijat ovat vakioineet katsekäyttöliittymän rajapintoja, ja ohjaukseen voi nyt käyttää tavallista nettivideokameraa.

Hankkeessa parannettiin menetelmiä, joissa katseenseurannan avulla voi muun muassa kirjoittaa. Kirjain valitaan viivästämällä katse tietokoneen näytöllä haluttuun kirjaimeen. Tällaisella järjestelmällä saavutettiin jopa 20 sanan minuuttinopeus. Samaa voi soveltaa vieraskielisen tekstin lukemiseen. Kun katse etenee tekstissä, tunnistetaan katsetta seuraamalla ongelmallinen kohta ja tuodaan automaattisesti tarjolle käännösapua. Vastaavalla tavalla voidaan seurata, mistä tietokonenäytön kohteista katselija on kiinnostunut. Tätä voidaan hyödyntää esimerkiksi opetuksessa ja mainonnan tutkimisessa.

Vapaasti ladattavia katseenseurantaohjelmistoja on saatavana osoitteesta www.cogain.org.

Kännykkä ja koulukirja yhdistyvät

• Kirja on oppimisvälineenä toimintavarma ja helppokäyttöinen. Oppimisen tutkimushankkeet painottuvat kuitenkin sähköiseen oppimateriaaliin. VTT tutki metsäteollisuuden tukemana vaihtoehtoa, joka laajentaa painettua kirjaa kännykän kautta ladattavalla internetsisällöllä. Tutkimuksessa kirjaa täydensi Nokian E71-puhelin ja luokan wlan-verkko.

Puhelimeen asennettu sovellus lähetti kirjan sivusta otetun kuvan palvelimelle, jossa kuvan piirteiden perusteella sivu tunnistettiin ja tietokannasta palautettiin kännykkään oppituntiin liittyvä tehtävä, esimerkiksi kuuntelu, monivalinta tai sanaristikko äänivihjeillä.

Hybridioppikirja tuo uusia mahdollisuuksia erityisesti kielten opiskeluun. Opettajankaan ei tarvitse pelätä tunnin romuttumista tekniikan pettämiseen, koska aina voi tukeutua perinteiseen kirjaan.

Yhden atomin transistori

• Suomalaiset ja australialaiset tutkijat ovat valmistaneet transistorin, jonka aktiivinen elementti on yksi ainoa fosforiatomi. Sen toiminta perustuu yksittäisten elektronien peräkkäiseen tunneloitumiseen atomin, transistorin lähteen ja nielun välillä.

Teknillisen korkeakoulun dosentti Mikko Möttönen toteaa, ettei tavoitteena ollut rakentaa mahdollisimman pientä transistoria klassista tietokonetta varten, vaan kvanttibitti, joka toimisi kehitteillä olevan kvanttitietokoneen perusosana.

Tarkoituksena on käyttää fosforin elektronin spin-vapausastetta kvanttibittinä eli kubittina. Mittauksissa pystyttiin erottamaan ensimmäistä kertaa elektronin spin-ylös- ja -alas-tilat yksittäisessä fosforidonorissa. Tämä on huomattava askel kohti näiden tilojen kontrollointia eli kubitin realisointia.

Kuvassa punainen ja keltainen pallo kuvaavat elektronin spin-alas- ja -ylös-tiloja, joista aiheutuvat korkean johtavuuden linjat ovat selkeästi näkyvissä.