Onderzoek naar het brein wordt veelal uitgevoerd in witte, klinische labruimtes, waarbij de breinactiviteit van mensen en dieren via sensoren en bedrade verbindingen gemeten wordt. Yao-Hong Liu, Scientific Director bij imec in Holst Centre, werkt met zijn project Intranet of Neurons aan een efficiënte, draadloze methode om in een meer natuurlijke setting onderzoek naar het brein te doen en zo ziektes op te sporen. “We willen patiënten die een beroerte hebben gehad op den duur helpen hun controle over ledematen terug te krijgen.”
In een labomgeving kan via neurosensoren en bedrade verbindingen de hersenactiviteit van dieren accuraat worden gemeten. De interfaces, die in de hersenen geïmplanteerd worden, zijn echter met draden aan de computer gekoppeld, wat onhandig, en bovendien onprettig is voor mens en dier. De bewegingsvrijheid wordt immers enorm beperkt. Dat terwijl er veel behoefte is in de neurowetenschap om met een objectieve maatstaf breinactiviteit te meten van mensen en dieren in natuurlijke situaties, voor wetenschapsdoeleinden, om ziektes in het brein op te sporen en op den duur zelfs hersengebieden te stimuleren om stoornissen te verhelpen.
Yao-Hong Liu van imec in Holst Centre ontving in 2020 twee miljoen euro van de Europese Onderzoeksraad (ERC) voor zijn Intranet of Neurons (IoN). Doel van het project is om de neurowetenschap een stap vooruit te helpen, door een draadloze, efficiënte overdracht van neuro sensorinformatie mogelijk te maken met een hoge datasnelheid. Het device is te vergelijken met een cochleair implantaat: een gehoorprothese die geïmplanteerd wordt in het binnenoor. “Het gaat om een heel klein apparaatje dat in een bepakking in het brein wordt gezet en signalen kan uitzenden”, zegt Liu. “We zijn druk bezig met de ontwikkeling van het prototype.”
Van honderden naar duizenden
Een van de grote voordelen van Liu’s device is het vele malen grotere aantal neuronen dat gemeten kan worden, waardoor uitgebreider onderzoek naar het brein mogelijk wordt. Al sinds de jaren zestig werken neurowetenschappers hard aan technieken om breinactiviteit te meten. Sindsdien wordt het aantal neuronen dat we door middel van een bedrade verbinding kunnen registeren per zes jaar verdubbeld. Tot wel een miljoen neuronen kunnen op deze manier gemeten worden. De momenteel beschikbare draadloze Brein-Computer Interfaces (BCI’s) kunnen echter slechts minder dan honderd neuronen registreren. Om ze op grote schaal toepasbaar te maken, en uiteindelijk zelfs bewegingen te herstellen en daarmee verlamde patiënten te helpen, is er een oplossing nodig die meer dan tienduizend neuronen tegelijk kan registreren.
“Met behulp van het nieuwe device is het mogelijk gegevens van meer dan honderd keer het aantal neuronen vast te leggen in vergelijking met bestaande technologieën. Bovendien kunnen we informatie verzamelen van neuronen verspreid over meerdere gebieden van de menselijke hersenen. Daardoor krijgen we een beter beeld van hoe het ervoor staat met de patiënten”, aldus Liu.
Minder ingrijpend
Het meten van breinactiviteit via de nieuwe verbinding heeft nog meer voordelen. De draadloze interfaces die momenteel beschikbaar zijn, zijn grote modules die geïmplementeerd moeten worden, met het risico van ongelukken en chirurgische complicaties. “Met het draadloze implantaat hoeft er maar een klein gaatje in de schedel gemaakt te worden, in plaats van dat deze helemaal opengemaakt moet worden. Daardoor wordt het risico op infecties significant beperkt.”
Multidisciplinair samenwerken
Voordat het draadloze device toepasbaar is op mensen, zijn er nog wel obstakels te overwinnen. Een van de grootste uitdagingen in het project is het samenwerken in multidisciplinaire teams, vindt Liu. “Ik richt me op de draadloze connectie van het instrument, maar een ander team bij imec is bezig met de bepakking, terwijl weer een ander team zich bezighoudt met het decoderen van de data. Het is een interessante uitdaging om de samenwerking tussen al deze groepen experts te coördineren.”
Winst op technologisch gebied
Ook op technologiegebied valt er nog winst te behalen. “Hoe zorgen we ervoor dat het instrument geen problemen veroorzaakt in het brein? Het is uiteindelijk de bedoeling dat we voor een lange periode van maanden, tot zelfs jaren, metingen kunnen verrichten. Dus het implantaat moet goed bepakt worden en bestand worden gemaakt tegen lichaamsvloeistoffen en dergelijke. Komende jaren zullen we het instrument steeds verder verbeteren op dit vlak.”
Controle teruggeven
Momenteel is enkel het opmeten van breinactiviteit mogelijk met het prototype. Liu voorspelt dat het over tien of twintig jaar mogelijk is om via de draadloze verbinding het brein ook daadwerkelijk te stimuleren. “Zo kunnen we in de toekomst patiënten, die gevolgen ondervinden van een beroerte of andere ziekte, helpen door ze weer de controle te geven over hun ledematen.”
Alleen al het draadloos kunnen opnemen van neurale activiteit in verschillende breingebieden is al een grote stap voor de wetenschap. “Er is op dit moment geen objectief beoordelingsinstrument om een aandoening in het brein op te sporen. Met deze tool hoop ik dat we patiënten in een vroeg stadium al veel meer kunnen vertellen over hun ziekteverloop.”
Samenwerking
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
