Brein-computer interface moet einde maken aan isolement van patiënten met Locked-in syndroom

Het Locked-in syndroom is een zeldzame neurologische aandoening. Het wordt vaak veroorzaakt door amyotrofische laterale sclerose (ALS), een ongeneeslijke degeneratieve ziekte van het motorische zenuwstelsel. Getroffen personen lopen het risico de volledige controle over hun spieren te verliezen, terwijl het bewustzijn en de mentale functies intact blijven. Dit betekent dat getroffenen kunnen zien en horen, maar meestal blijven alleen de oogleden over als communicatiemiddel. Een beslissende vergemakkelijking van de communicatie met Locked-in patiënten wordt verwacht van brain-computer interface (BCI)-technologieën. Deze zijn gebaseerd op de bevinding dat zelfs het zich voorstellen van een gedrag meetbare veranderingen in de elektrische hersenactiviteit teweegbrengt. Bijvoorbeeld, het zich voorstellen dat een hand of voet wordt bewogen leidt tot activering van de motorische cortex.

Technologieën voor hersen-computerinterfaces worden onderverdeeld in invasieve en niet-invasieve methoden. Bij niet-invasieve methoden wordt de hersenactiviteit gemeten met elektroden die handmatig op de hoofdhuid worden aangebracht. De metingen zijn gebaseerd op elektro-encefalografie (EEG), die het nadeel heeft van een lage signaalresolutie en een beperkte nauwkeurigheid.

De implanteerbare technologie zal in staat zijn om spraak in real time te decoderen uit hersensignalen.

Professor Gernot Müller-Putz.

Invasieve methoden kunnen deze zwakke punten compenseren door elektroden te gebruiken voor metingen van het elektrocorticogram, die boven de motorische cortex worden geïmplanteerd. Tot op heden mist de toepasbaarheid van invasieve hersen-computer-interface technologieën nog de gewenste miniaturisatie en hoge ruimtelijke resolutie, omdat dit een groot aantal meetpunten in een kleine ruimte vereist. Bovendien kan de software nog niet door de proefpersonen alleen worden toegepast. Voor zowel de EEG-gebaseerde als de intracorticale systemen moet herhaaldelijk een kalibratie worden uitgevoerd om de algoritmen weer op de huidige stand van de techniek te brengen, legt professor Gernot Müller-Putz van het Instituut voor Neurotechnologie van de Technische Universiteit van Graz, Oostenrijk, uit.

Hij voert momenteel onderzoek uit in het Europese onderzoeksconsortium INTRECOM, dat deze problemen wil oplossen. De implanteerbare technologie zal in staat zijn om spraak in real time te decoderen uit hersensignalen. Geïmplanteerde patiënten zullen zo voor het eerst beschikken over een compleet en eenvoudig te gebruiken communicatiesysteem waarmee zij kunnen spreken en een computercursor kunnen besturen.

Het consortium van onderzoeks- en industriepartners wordt geleid door professor Nick Ramsey van het Universitair Medisch Centrum UMC Utrecht. Hij heeft in voorbereidend werk al laten zien dat een poging tot handbeweging kan worden gedetecteerd en gebruikt als muisklik. Dit werkt vergelijkbaar met ondersteunende technologie, waarbij afzonderlijke letters worden gescand en de patiënt letters kan selecteren en aanklikken, legt professor Müller-Putz uit.

Zelf heeft hij net het EU-project Feel Your Reach afgerond, waarbij hij uit EEG-signalen de trajecten van gepresenteerde armbewegingen met een bepaalde waarschijnlijkheid kon berekenen. Deze technologie zal in het huidige project verder worden verfijnd. Aan de Technische Universiteit van Graz, Oostenrijk, lag de nadruk tot dusver op niet-invasieve hersen-computer-interfacetechnologieën. Samen met professor Ramsey werkt Müller-Putz nu voor het eerst met metingen van het elektrocorticogram (ECoG). Hierbij rust het materiaal waarop de elektroden zijn bevestigd – de zogenaamde array – direct op de motorische cortex.

Om veilig vooruitgang te boeken met het onderzoek, kiezen de onderzoekspartners voor twee benaderingen: Team Ramsey wil spraak genereren uit spraakpogingen, wat betekent dat de onderzoekers de poging van de persoon evalueren om de afzonderlijke klanken van een gesproken woord te produceren. Op deze manier kunnen ze aan de hersensignalen in real time aflezen wat de persoon probeert te zeggen.

Het Müller-Putz team richt zich op elke aanvullende vorm van communicatie die kan worden beschreven met behulp van cursorbewegingen, van het simpelweg selecteren van pictogrammen op het scherm tot cursorbewegingen en keuzes die de patiënt kan controleren.

De hardware van de Brain-Computer Interface bestaat uit een reeks elektroden – een array genoemd – en een biosignaalversterker. Terwijl de array van elektroden over de motorische gebieden wordt geplaatst, wordt de biosignaalversterker in het schedelbot geïmplanteerd. Deze laatste heeft tot taak de gegevens te verwerken en draadloos door te zenden naar externe computers voor analyse en decodering.

Een van de technische uitdagingen is de reeds genoemde miniaturisatie, een eerste vereiste voor implantatie. Bij het opnemen van hersensignalen is een hoge ruimtelijke resolutie vereist. Dat betekent een zeer groot aantal meetpunten in verhouding tot de grootte van het array. Hoe kleiner de array, des te dichter moeten de elektroden worden gerangschikt. De temporele resolutie wordt gemeten in het millisecondenbereik. Zowel een hoge ruimtelijke als een hoge temporele resolutie zijn van fundamenteel belang voor het decoderen van spraak in real time.

Om de hersensignalen in gesproken woorden om te zetten, worden algoritmen gebruikt om parameters uit de meetgegevens te extraheren. Deze beschrijven of de mond geluiden wil voortbrengen of dat de hand de cursor wil bewegen. Uiteindelijk moet het systeem nog worden ingebed in software die zonder technische deskundigen in een thuistoepassing werkt. Daartoe moet het systeem gebruiksvriendelijk en robuust zijn en gebruik maken van de nieuwste AI-gebaseerde en zelflerende technologieën.

Twee industriële partners in het consortium zijn verantwoordelijk voor het ontwerpen van de hardware: het in Zwitserland gevestigde Wyss Center for Bio- and Neuroengineering ontwerpt de biosignaalversterker, en de Duitse fabrikant van medische apparatuur CorTec zal onderdelen van de implanteerbare elektronica ontwikkelen die de hersensignalen registreren: op maat gemaakte ECoG-elektroden met hoge resolutie en een bedrading met hoge kanalen.

“De afzonderlijke componenten bestaan al in verschillende ontwerpen. We gaan ze nu verfijnen en voor het eerst verschillende dingen samenbrengen, zodat we ze op de juiste manier kunnen implementeren. Dat is het spannende gedeelte,” zegt Müller-Putz. De brein-computer interface zal worden getest op twee mensen met het Locked-in syndroom in Utrecht en in Graz.

Het project gaat in het najaar van start. Professor Müller-Putz werkt momenteel aan de voorbereidingen en is nog op zoek naar geïnteresseerde postdocs en promovendi voor het team aan het Institute of Neurotechnology van de Graz University of Technology, Oostenrijk. Intracranial Neuro Telemetry to REstore COMmunication (INTRECOM) is geselecteerd door de Europese Innovatieraad (Pathfinder Programma) en wordt door de EU gefinancierd met bijna vier miljoen euro. Het project loopt van najaar 2022 tot najaar 2026.