Exoskelet geeft WK-aftrap

Tijdens de opening van het wereldkampioenschap voetbal, komende donderdag, zal de aftrap gegeven worden door een verlamde Braziliaan. Hoe dat mogelijk is? Met een hoogtechnologisch exoskelet.

Dat Iron Man-achtige pak, dat - zelfs uit wetenschappelijk hoek - op veel scepsis stuitte, zal op het WK voor het eerst in het openbaar gedemonstreerd worden, na decennialang onderzoek.

De techniek werkt als volgt. De verlamde persoon krijgt een resem elektroden op het hoofd, die hersensignalen opvangen en doorsturen naar een computer in een rugzak. Die computer geeft de signalen dan weer door naar het exoskelet, zodat de verlamde persoon daadwerkelijk kan lopen.

De Braziliaanse neurowetenschapper Miguel Nicolelis is het grote brein achter de uitvinding. Hij schreef drie jaar geleden al een boek over zijn plannen. Daarvan verscheen toen een voorpublicatie in Scientific American. Daarin voorspelde hij een grootse toekomst voor dergelijke ‘neuroprosthetica’:

‘Drie decennia lang kreeg ik steeds weer dezelfde onvermijdelijke aanbeveling te horen over mijn wetenschappelijke artikels. Ik kon maar beter alle passages schrappen die het hadden over een mogelijke koppeling van onze hersenen aan machines. Mijn collega-neurowetenschappers die de artikels onder ogen kregen voor ze ter perse konden gaan, zaten doorgaans verveeld met het idee dat mijn onderzoek inspiratie zou bieden voor nog gedurfdere wetenschappelijke dromen. Telkens als ik diezelfde teleurstelling te slikken kreeg, begon ik weer te dromen over de dag waarop ik mijn speculaties op de wereld kon loslaten. Onze vooruitgang in het laboratorium betekent dat die heuglijke dag nu eindelijk is aangebroken.

Terwijl ik opbokste tegen de ultraconservatieve academische cultuur konden sciencefictionauteurs en filmregisseurs hun fantasie de vrije loop laten, en voor sommigen was geen uitspatting te gek. In 2009 alleen al dook in twee monsterproducties van Hollywood, Surrogates en Avatar, het stereotiepe beeld op van de wetenschapper die met zijn indrukwekkende technologische trukendoos zonder scrupules manipuleert, overmeestert en doodt. Door hun brein aan te sluiten op een computer kunnen de protagonisten in beide films leven, liefhebben en vechten in een plaatsvervangende gedaante.’

Het robotpak maakt de man

‘Een volledig brein downloaden of simuleren in computerversie, zoiets zal altijd tot het rijk van de verbeelding behoren. De essentie van ons karakter kan je nooit vertalen op harde schijf. Maar experimenten bij knaagdieren, apen en mensen bewijzen dat we alvast in het laboratorium de hersenen rechtstreeks kunnen koppelen aan machines. Zulke onderzoeksresultaten maken me bijzonder enthousiast over de toekomst.

Binnen twintig jaar kunnen brein-machine-interfaces, die via tweerichtingskoppeling grote stukken van onze hersenen met elkaar verbinden, misschien wonderen verrichten voor patiënten met beperkende neurologische aandoeningen. De interfaces zullen wellicht zenuwfuncties beginnen te herstellen bij miljoenen mensen die niet langer  kunnen horen, zien, voelen, grijpen, lopen of praten. De patiënten zullen misschien zelfs kunnen communiceren door alleen maar te denken.

Een internationaal onderzoeksconsortium waarvan ik mede-oprichter ben, geeft een voorsmaakje van die toekomst. Het Walk Again-project ontstond een paar jaar geleden, nadat mijn groep had aangetoond dat het haalbaar is levend hersenweefsel aan een hele reeks apparaten te koppelen. Het hoopt de eerste BMI te ontwikkelen die zwaar verlamde patiënten opnieuw volledige lichaamsmobiliteit geeft, ongeacht of de oorzaak van de verlamming ligt in een trauma aan de ruggengraat of in een neurodegeneratieve aandoening.

Om die doelstelling te verwezenlijken, werken we aan een neuroprothetisch apparaat waarmee verlamde patiënten via de brein-machine-interface de bewegingen van een exoskelet kunnen sturen. De ‘draagbare robot’ zal hen controle geven over hun armen en benen en hun lichamen schragen en dragen. Het sterke staaltje neurotechniek werkt volgens neurofysiologische principes, empirisch afgeleid van onze BMI-experimenten met resusaapjes en andere dieren.’

Tien jaar stabiel

‘Voor we een BMI-exoskelet kunnen bouwen, moet de technologie nog verder worden verfijnd. We hebben een nieuwe generatie micro-elektroden met hoge dichtheid nodig die veilig kunnen worden geïmplanteerd in de hersenen, en betrouwbare langetermijnopnamen kunnen maken van de elektrische activiteit van tienduizenden neuronen in meerdere hersengebieden tegelijk. Brein-machine-interfaces worden pas medisch bruikbaar en betaalbaar als die grootschalige opnamen van de hersenactiviteit minstens tien jaar lang stabiel blijven zonder chirurgisch herstel.

Ook op maat gemaakte neurochips moeten blijvend worden ingeplant, zodat we de elektrische patronen kunnen meten en verwerken tot signalen die het exoskelet besturen. Om het risico op infectie en schade aan de hersencortex zo beperkt mogelijk te houden, moeten de chips werken met draadloze technologie die weinig aandrijving nodig heeft en meerdere kanalen bevat. Ze moeten de informatie voortgebracht door duizenden individuele hersencellen doorseinen naar een draagbaar verwerkingstoestel, ongeveer zo groot als een gsm. Dat toestel moet op zijn beurt computermodellen laten draaien van het interne reilen en zeilen van het brein, en moet zo snel en goed mogelijk de elektrische hersensignalen kunnen herkennen die beweging inzetten.

De populaties van neuronen die we gebruiken voor de BMI zullen over verschillende hersengebieden verspreid liggen. Uit de onverwerkte elektrische signalen van het hersengebied dat beweging stuurt, halen we digitale signalen die de bewegende onderdelen van het exoskelet, verbonden door ‘gewrichten’, in gang zetten. De interactie van het robotskelet met de zenuwsignalen imiteert de werking van de ruggengraat. Met behulp van die bevelen kan de patiënt de ene stap na de andere zetten, trager en sneller gaan lopen, zich bukken en de trap opklimmen. Op de achtergrond blijven hersenen en machine de hele tijd door in naadloze dialoog informatie uitwisselen. De technologie creëert een voortdurende wisselwerking tussen hersensignalen en robotische reflexen.

Hoe zal ons leven eruitzien als we over een paar decennia technologieën onder de knie hebben om allerlei computergestuurde toepassingen aan te drijven met de elektrische activiteit van onze hersenen? Misschien bestuurt ons hoofd wel een minuscule persoonlijke computer die we allemaal op zak, of misschien zelfs in ons lichaam hebben, en een extern gespreid netwerk om onze digitale sociale contacten te onderhouden. Het zal ons dagelijkse leven ingrijpend veranderen.’

Dit is een bewerkt uittreksel uit Beyond Boundaries: The New Neuroscience of Connecting Brains with Machines—and How It Will Change Our Lives, door Miguel Nicolelis, maart 2011, Times Books, een uitgeversmerk van Henry Holt and Company, LLC. Copyright © 2011 door Miguel Nicolelis.