Het moet vreselijk zijn om verlamd te raken, maar de laatste jaren worden er voorzichtige successen geboekt met direct door de hersenen te besturen protheses. Toch leggen deze dure en vaak logge machines het af tegen natuurlijke ledematen. Hoe kan dat en hoe sluit je een apparaat aan op ons brein?
Wat doe je als je na negen verlamde jaren eindelijk weer over een functionele arm beschikt? Jan Scheuermann, die 13 jaar geleden werd gediagnosticeerd met een spierziekte die haar lichaam gestaag verlamde, hoefde daar niet lang over na te denken. Ze vertelde haar begeleiders van de Universiteit van Pittsburgh dat ze maar al te graag een chocoladereep wilde eten. En zo geschiedde het begin dit jaar.
http://www.youtube.com/watch?v=WV0bJkk86pw
Scheuermann kreeg deze opmerkelijke prestatie voor elkaar door twee geïmplanteerde elektrodes in haar zogenoemde motorische cortex, het hersengebied dat verantwoordelijk is voor de aansturing van de spieren in het lichaam.
De betrokken wetenschappers hadden eerst met behulp van fMRI vastgesteld welk gedeelte van het hersengebied actief was als Scheuermann aan het bewegen van haar arm dacht. Daarna werden er zorgvuldig twee ‘spijkerbedden’ met ieder 96 elektrodes aangebracht die waren verbonden met twee aansluitingen bovenop haar hoofd. Via die elektrodes konden de wetenschappers hersenactiviteit waarnemen, in dit geval de kleine stroompjes waarmee hersencellen met elkaar communiceren. Een paar maanden laten was ze voor het eerst sinds lange tijd weer in staat zélf een hap chocola te nemen.
Deze smikkelpraktijken laten zien dat er voorzichtig successen worden geboekt op het gebied van het aansluiten van bewegende protheses op de hersenen. Toch is te zien dat de protheses vrij log en langzaam zijn en lijken de patiënten zich 100 procent op het bewegen van hun arm te moeten concentreren. Bovendien hangt er een behoorlijk prijskaartje aan. De ontwikkelkosten van bovenstaande prothese? Ongeveer 100 miljoen dollar… Een wereld waarin mechanische protheses betaalbaar zijn en net zo goed functioneren als hun biologische collega’s laat dus nog even op zich wachten.
Ontbreken van feedback
Frans van der Helm is professor Biomechanical Engineering aan de Technische Universiteit Delft en doet onderzoek naar hoe de hersenen de bewegingen van het lichaam sturen. En uiteindelijk zou deze kennis ook kunnen leiden tot het teruggeven van bijvoorbeeld een armfunctie aan een patiënt met een hoge dwarslaesie, doormiddel van een mechanische prothese. Maar Van der Helm is vooralsnog sceptisch.
Hoewel de wetenschappers de prothese van Scheuermann hebben aangesloten door simpel gezegd een draadje in de hersenen te prikken is de werkelijke situatie in het lichaam gecompliceerder. Van der Helm: “Spieren in bijvoorbeeld de arm volgen niet simpelweg commando’s op van de hersenen maar ze geven ook feedback. Over bijvoorbeeld de weerstand die ze voelen. Zo weten je hersenen dat je meer kracht moet leveren op het moment dat je een zwaar object optilt, zelfs als je je ogen dicht houdt.”
Je weet doorgaans blindelings wat je vast hebt.
Tobias WolterVolgens Van der Helm hebben mechanische protheses – hoe geavanceerd ook – op dit gebied een groot nadeel. “Zij geven namelijk geen feedback. Het enige waarmee patiënten kunnen werken is wat ze zien. Dat is een verschil met echt voelen of je iets wel of niet vast hebt.”
Juist op die feedback focust het onderzoek van Van der Helm zich. Daarvoor gebruikt hij onder andere een robot die krachten kan uitoefenen op de arm van een proefpersoon. Door de proefpersoon te vragen om de krachten van de robot te compenseren heeft Van der Helm als het ware controle over de spieren in de arm van de proefpersoon. “We meten met behulp van elektromyografie de signalen die tussen de hersenen en de arm lopen, en andersom. Zo kunnen we precies achterhalen hoe spieren worden aangestuurd en op welke manier ze feedback geven.”
Als we echt natuurgetrouw bewegende protheses willen maken, dan moeten ze ook feedback terug kunnen geven aan het ruggenmerg en de hersenen. Van der Helm zegt dat er al wel proeven zijn gedaan met apen die feedback kregen van een prothese doormiddel van een elektrode. “Het moeilijke daarvan is dat je van te voren eigenlijk niet weet in welke ‘taal’ je moet communiceren met de hersenen. Wat voor elektrische signalen geef je af? Zeker is dat je kunt praten met hersencellen via stroompjes, maar hoe is onduidelijk. De betrokken wetenschappers besloten uiteindelijk een zelfbedachte ‘feedback’ aan de hersenen terug te geven. Het duurde even maar de apen leerden na maanden oefenen daadwerkelijk om met deze protheses en de feedback om te gaan. De eerste stappen worden wat dat betreft gemaakt, maar we staan volgens mij echt nog helemaal aan het begin van een hele lange ontwikkeling.”
Het is voor wetenschappers vooralsnog lastig te bepalen welke ‘taal’ de hersenen spreken.
Flickr.com, Ars Electronica via CC BY-NC-ND 2.0Ruisachtige signalen
Het liefst zou je protheses ‘aansluiten’ op de hersenen zonder een dure en riskante hersenoperatie te doen. Zo doet Van der Helm zijn experimenten met de EEG-techniek, waarmee hersensignalen worden opgevangen door elektroden die op het hoofd worden geplaatst. En hoewel er geen operatie nodig is, kleven er wat nadelen aan die techniek. Zo zijn alleen de signalen op te vangen van hersengebieden die aan het oppervlakte van het brein zitten. “Verder zijn de signalen die we binnen krijgen van nature vrij ruisachtig”, laat Van der Helm weten. “De beste interfaces zijn nu voor ongeveer 70 tot 80 procent accuraat, maar als je er echt een prothese mee wilt aansturen dan wil je dat natuurlijk op 100 procent krijgen.”
Daarnaast merkt Van der Helm op dat het tot nu toe nog erg moeilijk is gebleken voor patiënten om een prothese meerdere bewegingen tegelijk te laten maken. “Terwijl een natuurlijke beweging uit misschien wel zes of zeven functies tegelijk bestaat lukt het mensen in testsituaties met moeite om er twee gelijktijdig te doen.”
Van der Helm geeft toe dat hij een scepticus is het gaat om methodes om de hersenen aan te sluiten op computers en apparatuur. “Er worden veel beloftes gedaan omtrent hersenen die communiceren met computers, maar als je goed kijkt naar wat we nu voorhanden hebben dan is dat eigenlijk vrij beperkt en zitten we nog steeds te wachten op een doorbraak.”
Zien en horen met BCI’s
Zien en horen met BCI’s
Het grootste succes op het gebied van Brain Computer Interfaces is behaald met gehoorapparatuur. Wereldwijd zijn er nu meer dan 200.000 doven en slechthorenden die gebruik van maken van cochleaire implantaten waarmee ze hun gehoor weer in beperkte mate terug kunnen krijgen. Het door een microfoon opgevangen geluid wordt door een twintigtal elektroden doorgegeven aan de hoorzenuw. Met het doorgegeven signaal kunnen de gebruikers vaak weer spraak begrijpen.
In een veel experimentelere fase bevinden zich implantaten waarmee blinden via een camera en een systeem met ongeveer 100 elektroden weer contouren van hun omgeving kunnen ontwaren.
Cochleair implantaat.
National Institutes of Health