Een Amerikaanse man die verlamd is kan weer communiceren dankzij een hersenimplantaat. De man spelt in zijn hoofd de woorden en een algoritme zet de hersengolven om in geschreven letters. Zullen verlamde patiënten binnen enkele jaren gewoon kunnen deelnemen aan een gesprek?
Credit: Barbara Ries
Dit artikel verscheen in oktober 2021 in Eos Wetenschap.
Hoe kunnen we ons brein verbinden met een computer? Neurowetenschapper Jacques Vidal (University of California) was de eerste die zich met die vraag bezighield. Al in de jaren 1970 gebruikte hij in zijn wetenschappelijke publicaties de term brain computer interface (BCI).
Vandaag wordt deze vernuftige breintechnologie op kleine schaal toegepast in onder andere de medische sector. Zo lukte het in bepaalde gevallen om zicht, gehoor, beweging, communicatie of cognitieve functies bij patiënten te herstellen via BCI’s.
In theorie is de technologie bevattelijk genoeg: je hersenen zenden uiterst zwakke elektrische signalen uit, de interface vangt die op en versterkt ze, en vervolgens worden de signalen omgezet in digitale commando’s. Et voilà: de computer voert je gedachten uit.
Je hebt invasieve en non-invasieve interfaces. Bij die eerste brengt een chirurg elektroden onder de schedelpan in. Die registreren de hersenactiviteit. Maar het kan ook zonder implantaten, namelijk door gebruik te maken van een soort badmuts met sensors. ‘Die elektrodemuts werkt minder goed, omdat de schedel tussen de elektroden en de hersenen zit’, weet neurowetenschapper Nick Ramsey (UMC Utrecht). ‘Sensors onder de schedel kunnen de signalen veel preciezer oppikken en verwerken.’
Of hij nu invasief is of niet, een brain-computer interface heeft zijn beperkingen. De koppeling laat verlamde personen die niet of moeilijk kunnen spreken eigenlijk alleen maar toe om woorden letter per letter te spellen. Maar sinds kort is er nieuwe hoop. In juli verscheen in het vakblad New England Journal of Medicine een onderzoeksverslag, waaruit bleek dat een neuroprothese hersengolven kon omzetten in volledige woorden.
De neuroprothese werd met succes getest op een patiënt. Op zijn twintigste kwam de nu 38-jarige Pancho (de schuilnaam koos hij zelf) terecht in een zwaar verkeersongeval. Ten gevolge van een herseninfarct raakte hij volledig verlamd. In zijn hersenen werd een reeks van 128 elektroden ingeplant. Die ontvingen de elektrische signalen van zijn brein en vertaalden ze in woorden en zinnen op een computerscherm.
Dankzij de prothese kon Pancho zijn eerste woorden spreken in achttien jaar tijd.
Postdoctoraal onderzoeker David Moses (UCSF) verbindt het elektrodenimplantaat onder de schedelpan van patiënt Pancho met een computer. Credit: UCSF
Hardop in je hoofd
Van neurochirurg Eddie Chang (University of California), die het onderzoek leidde, kreeg Pancho de beschikking over een set van vijftig woorden. Hij slaagde erin daarmee ongeveer duizend zinnen samen te stellen. Het enige wat de patiënt moest doen, was proberen die woorden te zeggen. De eerste herkenbare zin die op het computerscherm verscheen, luidde: ‘Mijn familie is buiten.’
Ramsey stelt dat deze geslaagde test een stap voorwaarts betekent, maar dat we hiermee nog maar in de helft van de rit zitten. ‘Uiteindelijk is het de bedoeling om personen met het locked-insyndroom – een verlamming waarbij zowat alle communicatiekanalen zijn weggevallen – daadwerkelijk te laten spreken.’
‘Voor alle duidelijkheid: om te communiceren moeten ze als het ware hardop in hun hoofd spreken. Het is dus niet zo dat we hun gedachten kunnen lezen. Die ontstaan in een ander hersengebied, dat taal organiseert. En de signalen van dat gebied zijn te complex om te decoderen.’
Het hersengebied dat wordt afgelezen om de patiënten te laten communiceren is verantwoordelijk voor het aansturen van de gelaatsspieren die we gebruiken om te spreken, aldus Ramsey. ‘Elektroden die op de oppervlakte van de hersenen liggen, werken in zekere zin zoals een camera met pixels waarmee uiteindelijk een beeld wordt samengesteld.’
‘We hebben honderd tot tweehonderd van deze sensors nodig om de benodigde hersensignalen te meten. Het gaat om spraakgerelateerde sensorische en motorische processen die verbonden zijn met de mond, lippen, kaak, tong en het strottenhoofd.’
Om deze neurale signalen te digitaliseren en in computercommando’s om te zetten, is volgens Ramsey een implantaat met een groot aantal versterkertjes nodig. ‘De onderzoeksgroep van collega Chang koos ervoor om daar niet op te wachten en gebruikte een uitwendige versterker.’ Dat heeft volgens Ramsey gevolgen voor de patiënt en zijn omgeving. ‘Die versterker is best groot, wat hem lastig te bedienen maakt voor familieleden en hulpverleners.’
Fonemen combineren
Ramsey acht het mogelijk dat ingesloten patiënten als Pancho binnen afzienbare tijd weer betrekkelijk vlot zullen kunnen praten. ‘Aanvankelijk konden we deze mensen laten communiceren door ze via hersensignalen letters te laten spellen. Dat gebeurde aan een snelheid van twee letters per minuut. Changs team heeft aangetoond dat de breinsensors vijftig woorden van elkaar kunnen onderscheiden. Pancho vormde zo vijftien tot achttien woorden per minuut.’
‘Let wel: de geïmplanteerde elektroden kunnen geen letters uit elkaar houden. Het gaat eigenlijk om vijftig knoppen waarop je kunt drukken louter door aan die handeling te denken. Een nieuw woord vormen is onmogelijk, want dat kent het systeem niet.’
De volgende stap, zo voorspelt Ramsey, bestaat erin fonemen, de kleinste onderdelen waaruit woorden zijn samengesteld, te herkennen. Op die manier kan de computer die tot nieuwe woorden aaneenrijgen.
Binnen twintig jaar acht hij dat realiseerbaar. ‘Dan zullen we vrij geavanceerde implantaten hebben, zodat patiënten in realtime zinnen kunnen uitspreken. Het zal dan nog niet helemaal goed gaan, maar volgens mij zullen ze wel weer kunnen communiceren. En behoorlijk snel zelfs. Ze zullen gewoon kunnen deelnemen aan een conversatie.’
Dat de zakenduizendpoot Elon Musk (Tesla, SpaceX) grootse plannen heeft met neurotechnologie zal wellicht niemand verwonderen. Hij wil met zijn bedrijf Neuralink, dat hij in 2016 uit de grond stampte, een zogeheten whole-brain interface ontwikkelen. Hierbij zou een netwerk van minuscule elektroden een natuurlijk onderdeel van onze hersenen gaan vormen.
Wat Musk voor ogen heeft, is dat we louter op basis van onze gedachten kunnen surfen op het internet en communiceren met computers, telefoons of met elke medemens die van zo’n super-BCI is voorzien. Hersenchips met een hoge bandbreedte kunnen volgens de voortvarende ondernemer biologische en kunstmatige intelligentie nauwer met elkaar verbinden.
Zo zouden deze hersenimplantaten onder meer patiënten met de zeldzame neurologische aandoening ALS (amyotrofe laterale sclerose) de mogelijkheid bieden om al denkend te sms’en en e-mailen, online te bankieren en te winkelen. De Neuralink-interface werd al succesvol getest op proefdieren, waaronder een aap die het videospel Pong speelde door commando’s te ‘denken’. Uiteindelijk moet het mogelijk worden om elkaar concepten te sturen via telepathie en ons brein te downloaden om het na onze dood in een robot of een andere mens te installeren.
Nieuwe ongelijkheid
Bij deze boude toekomstplannen heeft neurowetenschapper Nick Ramsey (UMC Utrecht) gerede twijfels. ‘Zowat alle neurowetenschappers delen mijn scepsis over Musks plannen. We weten eenvoudigweg niet hoe we via elektronica informatie in ons brein kunnen invoeren. Je kunt geen beelden en geluiden oproepen in de hersenen of er met prikkels een natuurlijke sensatie opwekken. En kennis binnenbrengen in het brein is helemaal ondenkbaar. Tot nader order is het uitgesloten dat je gedachten of ideeën kunt overbrengen via zo’n apparaat.’
Nog iets anders: zijn er geen ethische vragen te stellen bij het onderzoek naar brain-computer interfacing? ‘Er komen inderdaad veel ethische aspecten bij kijken’, aldus Ramsey. ‘Wij werken met mensen die behoefte hebben aan een oplossing. Hier in Utrecht brengen we zo’n apparaat alleen aan bij patiënten als die er thuis wat aan hebben. Een interface implanteren bij gezonde mensen is een ander paar mouwen. Je moet beseffen dat je in de hersenen bezig bent en dat dat niet zonder risico is: een infectie kan desastreus zijn. Bovendien moet je je afvragen wie recht zou hebben op zo’n implantaat en wie niet. Dan krijg je bevoorrechte mensen die beter af zijn dan anderen.’
Onstuimige hersensignalen
De communicatie herstellen zal hoe dan ook via een computer blijven gaan, stelt Ramsey. ‘Al hopen we uiteindelijk ook de motoriek bij verlamde patiënten te kunnen herstellen. Dikwijls wordt de verlamming veroorzaakt door een dwarslaesie, een onderbreking van de zenuwen in de rug.’
‘Om deze patiënten opnieuw te laten bewegen moeten we twee ingrepen uitvoeren. We hebben een apparaat nodig om de hersenen uit te lezen en een apparaat dat de spieren prikkelt, zodat je kunt lopen of je arm uitsteken. Beide apparaten kunnen onderling draadloos communiceren. Het hersenapparaat decodeert wat je wil en stuurt dat vervolgens naar het apparaat dat lager in je lichaam zit. Dat laatste zet de neurale signalen om in prikkels voor de spieren, zodat de patiënt de gewenste beweging kan uitvoeren.’
Personen met het locked-insyndroom weer laten lopen is minder moeilijk dan ze weer laten spreken, denkt Ramsey. ‘Bij het bewegen van je benen gaat het om relatief eenvoudige instructies. De handen en het gezicht daarentegen zijn de meest complexe spierverzamelingen die we hebben in het lichaam. Dat maakt de uitdaging om deze mensen weer te laten praten zo groot.’
Neuro-elektronica biedt overigens nog tal van andere mogelijkheden. Dankzij deze technologie kunnen verlamde personen niet alleen een computer, maar ook huishoudtoestellen bedienen of een rolstoel en kunstledematen besturen.
‘Je moet wel weten dat het decoderen van hersensignalen nooit zo betrouwbaar is als eigenhandig je rolstoel voortbewegen’, stipt Ramsey aan. ‘We gaan ervan uit dat als je een spier kunt bewegen, dat bijna altijd goed gaat. Je maakt dan niet zoveel fouten.’
‘Maar hersensignalen zijn iets onstuimiger, daar moeten we wat voorzichtiger mee zijn. Zodat er niet per ongeluk een beweging volgt die gevaarlijk kan zijn. Het zal dus een rolstoel moeten zijn die is uitgerust met een camera en wat intelligentie. Je wil niet dat er iets misgaat wanneer je er de straat mee oversteekt.’
