Stel: een beroerte of een trauma zorgt ervoor dat je van de een op de andere dag verlamd raakt van je kruin tot je tenen. Alleen de spieren die je oogbeweging controleren werken nog. Je hersenfunctie werkt zoals het altijd deed – je kunt gedachtes en redenaties vormen – maar het lukt niet om ze te uiten.
Voor patiënten die het vermogen verliezen om te communiceren terwijl ze bij bewustzijn zijn, veranderen hoofd en lichaam in een gevangenis. Om mensen uit dit isolement te bevrijden, werken wetenschappers en ondernemers – met Elon Musk’s Neuralink als grootste – aan technologie om signalen van het brein te vertalen naar commando’s voor een computer. En dat lukt steeds beter.
- Wetenschappers en ondernemers ontwikkelen technologie om hersensignalen te vertalen naar computeropdrachten, waardoor communicatie voor verlamde mensen mogelijk wordt;
- BCI’s, piepkleine apparaatjes die op de buitenste laag van de hersenen worden geplaatst, maken gebruik van elektroden om real-time signalen van neuronen op te vangen;
- De snelle ontwikkeling van AI en machine learning versnelt de vooruitgang in BCI-technologie.
Een lichtpunt is dat grote delen van de hersenen vaak intact blijven, ook in het geval van zware verlamming,. Daar ligt dus een kans voor wetenschappers, artsen en healthtech ondernemers. Ze zijn steeds beter in staat om hersenactiviteit in detail te meten, en deze gegevens te gebruiken om patiënten verloren functies – zoals spraak – terug te geven. Technologieën die veranderingen in bloedvolume, magnetische velden en elektrische impulsen door hersenactiviteit meten, ontwikkelen zich in rap tempo.
Dit artikel komt uit de tweede editie van IO Next: The Brain. Dit magazine staat vol verhalen van wetenschappers, ondernemers en innovaties die een gezamenlijk doel hebben: het meest complexe systeem dat er is, beter leren begrijpen.
Communiceren dankzij een apparaatje van vier bij vier mm
Die technologie komt in de vorm van een Brain Computer Interface (BCI): een piepklein apparaatje van vier bij vier millimeter dat op de gerimpelde, buitenste laag van de hersenen geplaatst kan worden. De elektroden op deze kleine ‘roostertjes’ nemen real-time signalen van nabijgelegen neuronen op, een computer filtert bruikbare componenten en vertalen deze naar commando’s voor een externe computer. Een BCI is niets nieuws, al in 2015 werd er voor het eerst een patiënt uitgerust met deze technologie. Maar, de ontwikkeling van AI en machine learning maken dat ontwikkelingen sneller gaan dan wetenschappers vijf jaar geleden voor mogelijk hielden.
Neurorechten
Nu steeds meer commerciële partijen BCI oppakken, verlaat de technologie steeds vaker de academische- en ziekenhuiswereld. Zo werkt Musk met Neuralink aan een BCI met duizend elektroden. Eerder dit jaar kreeg hij groen licht om de BCI te testen op mensen.
Het roept ook een ethische discussie op over privacy en de persoonlijke identiteit van mensen. Zo is Musk van plan om BCI’s te koppelen aan smartphones. Dat zou betekenen dat de neurogegevens in handen komen van techbedrijven. Een discussie over neurorechten, regelgeving die de hersenactiviteit van mensen moet beschermen tegen misbruik van BCI, is dan ook heel belangrijk. In onder andere Chili en Spanje wordt al gewerkt aan een nieuwe grondwet waarin neurorechten specifiek genoemd worden.
Van 0 naar 100
“Toen ik achttien jaar geleden begon in dit onderzoeksveld, was er nog geen technologie om BCI daadwerkelijk toe te passen bij mensen. Acht jaar geleden hebben we succesvol een BCI geïmplementeerd bij een patiënt. Over een aantal jaar willen we een volledig implementeerbaar systeem met 128 elektroden introduceren”, vertelt Erik Aarnoutse. Hij is assistent-professor bij het Utrecht-BCI-Lab van UMC Utrecht, dat in 2005 door Nick Ramsey werd opgericht. Zijn carrière staat in het teken van het beter begrijpen van ons brein en het ontwikkelen van BCI-technologie.
De geavanceerde BCI waarover Aarnoutse vertelt, ontwikkelt UMC Utrecht samen met de Graz University of Technology, Cortec Neuro (Duitsland) en het WYSS Center for Bio and Neuroengineering uit Zwitserland. Vorig jaar kreeg het consortium zes miljoen euro subsidie van het European Innovation Council voor de ontwikkeling van ABILITY (Active Brain Implant Live Information Transfer sYstem). Dit is een neuraal opnamesysteem dat is ontworpen voor thuisgebruik. Het kan lage tot hoge frequenties aan hersenactiviteit versterkt en draadloos verzenden naar een computer.
Het systeem kan via elektroden letters en woorden die gebruikers in hun hoofd zeggen detecteren. Aarnoutse: “Zo kunnen patiënten ook een gesprek initiëren in plaats van dat ze altijd moeten wachten tot er iemand naar hun ogen kijkt. Dat maakt een wereld van verschil.”
Dit jaar moet een voorloper van ABILITY (nog niet draadloos, maar met kabel) geïmplementeerd worden. Het implementeren van een BCI is niet simpel: gebruikers moeten vaak een langere periode oefenen voordat ze het apparaat kunnen besturen. De BCI met 128 waar Aarnoutse aan werkt, zou binnen enkele weken betrouwbaar zijn werk moeten kunnen doen.
Je zou dit proces kunnen vergelijken met het onder controle krijgen van een nieuw en onnatuurlijk lichaamsdeel. Ook de BCI moet leren om de intentie tot beweging of spraak uit de hersenactiviteit te extraheren.
Grote hoeveelheden hersendata analyseren met AI
Maar, alle technologie rondom AI ontwikkelen zich razendsnel. “AI-algoritmes kunnen in signalen van de hersenen in grote getallen verzamelen. Om een BCI te trainen, moet de gebruiker een bepaald woord heel vaak ‘in het hoofd’ zeggen, terwijl de hersensignalen worden opgenomen. Zo trainen we het AI-algoritme. Na deze training kan het algoritme de woorden herkennen, zonder dat we hoeven te weten waar het algoritme precies op let. We gaan ervanuit dat er een code in de elektrische activiteit van hersencellen zit. AI kan die signalen veel sneller decoderen dan de mens ooit zou kunnen”, aldus Aarnoutse.
Zo slaagden onderzoekers van Radboud Universiteit en het UMC Utrecht erin hersensignalen om te zetten in hoorbare spraak. Door signalen uit de hersenen te decoderen met behulp van een combinatie van implantaten en AI, waren ze in staat om de woorden die mensen wilden zeggen te voorspellen met een nauwkeurigheid van 92 tot 100 procent.
De onderzoekers vroegen niet-gehandicapte mensen met een tijdelijk hersenimplantaat een aantal woorden hardop uit te spreken terwijl hun hersenactiviteit werd gemeten. Het lukte om een directe vertaling te maken tussen hersenactiviteit aan de ene kant en spraakactiviteit aan de andere kant.
“AI kan veel efficiënter en sneller signalen ontcijferen dan wanneer wij proberen te begrijpen wat er precies gebeurt. Er zijn mensen die zeggen: er moet een complexer systeem dan het brein komen, voordat we het brein kunnen begrijpen. AI zou dat complexere systeem kunnen zijn.”
Erik Aarnoutse
Een krachtige en uiterst complexe computer
Het brein is met 86 miljard hersencellen, die gemiddeld 10.000 verbindingen aangaan met andere cellen, het meest complexe menselijke orgaan. Je kunt het vergelijken met een zeer krachtige en complexe computer, waarvan tot op heden niemand in staat is om de volledige structuur te begrijpen, met succes na te bootsen en te simuleren.
“Ons brein is een gigantisch netwerk. Als je iets leert, komen er nieuwe, of efficiëntere, verbindingen bij. De complexiteit zit ‘m erin dat we die verbindingen en netwerken moeten leren kennen. Maar omdat het er zoveel zijn, is dat een enorme opdracht”, aldus Aarnoutse. Zijn carrière als hersenonderzoeker omschrijft hij als “heel interessant, maar tegelijkertijd ook onwijs frustrerend.”
De ontwikkeling van kunstmatige intelligentie gaat veel teweegbrengen in hersenonderzoek, denkt Aarnoutse. “AI kan veel efficiënter en sneller signalen ontcijferen dan wanneer wij proberen te begrijpen wat er precies gebeurt. Er zijn mensen die zeggen: er moet een complexer systeem dan het brein komen, voordat we het brein kunnen begrijpen. AI zou dat complexere systeem kunnen zijn.”
