Mag ik je brein downloaden?

Een rolstoel besturen via een computer die rechtstreeks verbonden is met het brein. Klinkt misschien als sciencefiction, maar dat is het allang niet meer. Dankzij recente doorbraken in hersenonderzoek kunnen mensen met een ernstige verlamming hun hersencapaciteit steeds beter benutten.

Stel je voor: je kunt nog zien, horen, voelen en nadenken, maar niet langer bewegen. Met als gevolg dat je van alles wilt zeggen, maar er geen woord van je lippen komt. Voor de meeste mensen een nare droom, maar voor sommigen de bittere realiteit.

Mensen met een ernstige verlamming, zoals patiënten in een vergevorderd stadium van de spierziekte ALS, kunnen vrijwel niet communiceren. Dat is zonde, want bij veel van die patiënten zijn de cognitieve functies volledig of grotendeels intact. Ze kunnen nog wel nadenken, maar zijn volstrekt niet in staat hun gedachten over te brengen.

Vaak kunnen zulke patiënten alleen nog maar hun ogen bewegen. Ze communiceren dan door naar een scherm met letters te kijken. Via een camera die op de ogen is gericht wordt duidelijk naar welke letter de patiënt kijkt.

Voor sommige mensen met een ernstige verlamming is zelfs dit onmogelijk. Die kunnen hun ogen nog wel een beetje bewegen, maar niet genoeg. Dan blijft alleen de ouderwetse letterkaart over: een verzorger wijst op een kaart de letters van het alfabet een voor een aan, tot de patiënt met een oogbeweging aangeeft dat die bij de juiste letter is beland. Je kunt je wel voorstellen dat dit erg langzaam gaat – alsof je bij het typen van een mail voortdurend met één vinger het hele toetsenbord langsgaat tot je bij de juiste letter arriveert.

Deze patiënten hebben sterk behoefte aan een snellere methode. ‘Juist bij mensen die aan het eind van hun leven staan, is er wel de noodzaak om met artsen en familie te communiceren’, zegt Peter Desain, hersenonderzoeker aan het Donders-instituut van de Radboud Universiteit Nijmegen.

Desain stond vrijdag met mede-breinonderzoeker Mariska van Steensel van het UMC Utrecht Hersencentrum in de Mind of the Universe-tent. De onderzoekers demonstreerden een veelbelovende oplossing voor het communicatieprobleem: een zogeheten brain-computer interface (BCI). Dit is een mechanisme waarbij het brein wordt verbonden met een computer. Zo kun je een computer besturen zonder ook maar een vingertop te verroeren – zolang je maar aan de juiste dingen denkt.

Dat werkt als volgt: wanneer je je hersenen op een of andere manier gaat gebruiken, worden de zenuwcellen in bepaalde hersengebiedjes actief. Die gaan dan elektrische signalen naar elkaar versturen. Die signalen vormen samen een patroon dat karakteristiek is voor de mentale activiteit die je verricht. Als je bijvoorbeeld je aandacht ergens op richt, geeft dat een ander patroon dan wanneer je een geluid hoort, of wanneer je je voorstelt dat je een bepaalde beweging uitvoert.

Deze hersensignalen kun je meten, bijvoorbeeld met een elektrodenmuts. Vervolgens kan een computer de patronen herkennen en bepalen wat je aan het doen bent. Je kunt dit benutten door iemand met een verlamming bijvoorbeeld een toetsenbord te laten zien. Dan kan de computer uit de hersensignalen afleiden naar welke toets je kijkt. Op die manier kunnen verlamde patiënten met hun aandacht een computer besturen. En niet alleen een computer – ook robotarmen en rolstoelen zijn in theorie met een BCI bestuurbaar.

Dat klinkt misschien als iets wat alleen in sciencefiction voorkomt, maar niets is minder waar. BCI’s bestaan al jarenlang. Ze stuitten alleen lange tijd op een groot probleem: iedereen is anders. Als jij een plaatje herkent, vormen je hersensignalen een ander patroon dan wanneer je buurvrouw dat doet. Daardoor moesten BCI’s tot dusver op elke patiënt apart worden afgestemd – een duur en tijdrovend karwei.

In de zoektocht naar een universele BCI hebben Desain en Van Steensel de laatste jaren grote vooruitgang geboekt, elk op een ander gebied. Desain heeft met zijn collega’s ‘knipperpatroontjes’ ontwikkeld. ‘Als je naar een knipperend lampje kijkt, vertonen je hersenen een signaalpatroon dat afhankelijk is van het precieze knipperpatroon. We gebruiken dus die knipperpatroontjes als een soort streepjescode. Ze geven een betrouwbare manier om te achterhalen waar iemand naar kijkt.’

Met deze methode hebben onderzoekers een virtueel toetsenbord ontwikkeld waarbij elke toets met een ander patroon knippert. Door dit toetsenbord via een BCI te besturen, kunnen patiënten met ongeveer één letter per seconde communiceren. Nog steeds niet snel genoeg om een Fidel Castro-achtige redevoering te houden, maar het komt al in de buurt van de typesnelheid van een ongetrainde computergebruiker.

De knipperlichtmethode was een doorbraak voor BCI’s. Deze methode heeft echter een belangrijke tekortkoming: een patiënt moet de ogen kunnen bewegen om ermee te werken. Niet iedereen met een verlamming is daartoe in staat – een op de drie ALS-patiënten verliest bijvoorbeeld dit vermogen. In zo’n geval is een BCI nodig die niet afleest waarnaar iemand kijkt, maar waar iemand aan denkt.

Een echte gedachtelezer is vooralsnog onmogelijk De signaalpatronen die het brein bij een willekeurige gedachte opwekt, zijn te complex om te gebruiken. Onderzoekers kunnen dus niet aan iemands hersengolven zien dat diegene aan een kat denkt. Wat wel bruikbaar is, is een specifiek type gedachte: geprobeerde beweging.

Als iemand die verlamd is bijvoorbeeld zijn rechterhand probeert te bewegen, dan vertonen zijn hersenen een activiteitenpatroon dat veel herkenbaarder is dan het patroon bij een willekeurige fantasie. ‘De signalen die horen bij het bewegen van de hand, zijn voor iedereen ongeveer hetzelfde’, zegt Van Steensel, die deze methode gebruikt in haar onderzoek. ‘Er zijn kleine individuele verschillen waarvoor je de BCI moet verfijnen, maar het principe is universeel.’

Met deze methode kan iemand een opdracht geven aan een computer. Op het scherm is dan bijvoorbeeld een toetsenbord te zien, waarbij de toetsen één voor één oplichten. Om een bepaalde letter te kiezen, hoeft de patiënt alleen maar op het juiste moment te proberen de rechterhand te bewegen.

In tegenstelling tot bij de knipperlichtmethode is hier dus geen daadwerkelijke beweging bij nodig. Van Steensel: ‘Of je nu je hand beweegt of tevergeefs probeert je hand te bewegen – het levert meer dan genoeg hersenactiviteit op.’

Een nadeel van deze methode is dat de communicatie wederom nogal langzaam verloopt – net zo langzaam als bij de verzorger met de letterkaart. Van Steensel en haar collega’s werken daarom aan een techniek waarbij ze meerdere signaalpatronen combineren in één BCI. Een patiënt kan dan bijvoorbeeld verschillende signalen versturen door aan verschillende handgebaren te denken.

Desains knipperlichtpatroontjes en Van Steensels gepoogde beweging zijn dus twee verschillende manieren om een BCI te maken. Daarnaast is er nog een belangrijk aspect waarin de onderzoekers verschillende paden bewandelen. Het gaat dan om de vraag: hoe kun je de hersenen het beste aan een computer koppelen?

Desain gebruikt de standaardmethode van elektrodenmutsen: de bekende bedrade ‘badmutsen’. Een voordeel daarvan is dat er geen ingewikkelde medische ingreep nodig is. Je kunt elke patiënt een muts opzetten, en als die het niet prettig vindt, kun je hem altijd weer afdoen.

Volgens Desain worden de caps bovendien steeds beter. ‘Een paar jaar geleden kon je een elektrodenkap niet gebruiken zonder hulp van experts. Tegenwoordig zijn er ook caps met minder elektroden. Die werken wat minder goed, maar zijn wel thuis te gebruiken’, zegt hij. ‘Daarnaast moest je eerst na elk gebruik je haren wassen, vanwege de gel waarmee de elektroden contact met de huid moesten maken. Moderne caps zijn droog, of hebben hooguit een laagje water.’

Het brein met een computer verbinden via een implantaat. Afbeelding: The New England Journal of Medicine.

Een elektrodenmuts heeft echter ook zo zijn nadelen. De cap werkt mogelijk niet altijd optimaal, je moet hem altijd bij je hebben en hij valt nogal op. Van Steensel mikt daarom op een wat engere, maar wellicht effectievere methode: een hersenimplantaat. ‘Een implantaat is onzichtbaar, voortdurend aanwezig en werkt ook goed zonder de aanwezigheid van experts’, zegt ze.

In oktober 2015 koppelde Van Steensel met haar collega’s zo’n hersenimplantaat aan een computer bij een 58-jarige Nederlandse vrouw met ALS. Daarmee hadden de Utrechters een wereldprimeur: nog nooit eerder was er met een implantaat een BCI gecreëerd die buiten het ziekenhuis gebruikt kan worden. Dankzij het implantaat kan de vrouw nu met de methode van gepoogde handbeweging met de onderzoekers en haar familie en verzorgers communiceren.

Dat ging overigens niet vanzelf. ‘Met name de timing van de gedachten bleek lastig’, zegt Van Steensel. ‘Wanneer moest ze precies aan haar hand denken om de juiste letter te kiezen?’ Ook voor de onderzoekers was het een leerproces. ‘We zijn dankzij deze eerste deelneemster ontzettend veel verder gekomen in ons onderzoek’, zegt Van Steensel. ‘We hopen dan ook op meer patiënten, maar het is moeilijk die te vinden. Niet iedereen is geschikt, en ook niet iedereen is bereid een implantaat te nemen. Het is immers onderzoek, geen behandeling.’

Voor velen klinkt een hersenimplantaat wellicht ook wat te eng. Van Steensel: ‘Aan elke operatie zit een risico, maar dat is in dit geval klein. De techniek is zeker ver genoeg ontwikkeld en we zijn er klaar voor om samen met andere kandidaten te onderzoeken of het implantaat voor hen net zo goed werkt als voor de eerste deelneemster.’

Ook Desain is optimistisch over de ontwikkeling van zijn techniek. ‘Ik ben erg blij dat de wetenschappelijke doorbraak van het knipperpatroon meteen al in de praktijk wordt toegepast. We zitten in een heel mooi traject.’

Dit artikel verscheen 21 augustus 2017 in de digitale Lowlands-krant van New Scientist.

Volgens Wordpress verwante berichten:

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *