Bewogen gedachten

Apen kunnen met denkkracht apparaten aansturen via elektroden in de hersenpan. Toch geloven niet alle wetenschappers dat een gat in de schedel nodig is om in de toekomst een kunsthand te bewegen.

RESUSAAPJES beheersen een kunstje dat voorlopig geen mens hen nadoet. Op de Universiteit van Pittsburgh gebruiken de aapjes hun brein om met een robotarm kleine stukjes courgette te pakken en naar hun mond te brengen. Dat apen (en mensen) louter met hun hersens een cursor laten bewegen over een computerscherm is voor wetenschappers niets bijzonders meer. Maar tot voor kort ging het daarbij om eenvoudige bewegingen, meestal in één richting. Bijzonder in het experiment van Andrew Schwarz en zijn collega's in Pittsburgh is dat de robotarm – ter grootte van een kleuterarm – in drie richtingen beweegt. De aap beweegt de arm in drie punten: schouder, elleboog en `grijper'. Zijn echte armen zijn beide vastgegespt. Hij stuurt de `prothese' aan via elektroden die direct zijn aangesloten op individuele neuronen (hersencellen) in zijn brein.

Het experiment illustreert de snelle vooruitgang van brain-computer interfaces, apparaten die hersenactiviteit interpreteren en direct vertalen in beweging. ``Deze technologie biedt perspectief aan patiënten met ruggenmergbeschadiging of aandoeningen van het zenuwstelsel'', aldus Schwartz twee weken geleden, als spreker op het congres van de American Association for the Advancement of Science in Washington D.C. (de AAAS is uitgever van het wetenschappelijke tijdschrift Science). Aansluitend ging de in uniform gestoken luitenant-kolonel Geoffrey Ling – net terug uit Irak – nog een paar stappen verder. ``Wij willen dat wetenschappers een prothese maken die ervoor zorgt dat een soldaat die zijn arm heeft verloren, of het gebruik daarvan, weer piano kan leren spelen'', aldus Ling. ``En dan bedoel ik niet gepingel met twee vingers. Ik heb het over werk van Brahms.''

Lings werkgever Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency, de subsidiegever voor fundamentele militaire research) daagt wetenschappers graag uit in het belang van de krijgsmacht. Geld van Darpa staat aan de basis van grote technologische vernieuwingen: een computernetwerk dat moest blijven functioneren in oorlogstijd vormt bijvoorbeeld de ruggengraat van het Amerikaanse internet. Ling leidt een programma voor de ontwikkeling van nieuwe prothesen waarvoor Darpa de komende vier jaar tientallen miljoenen beschikbaar stelt. ``Wij vinden mislukkingen niet erg'', zegt Ling. ``Waar het om gaat is dat de wetenschappers het proberen.''

hordes

Voor een door het brein bestuurde prothese met vijf onafhankelijk bewegende vingers zijn nog veel hordes te nemen. Neurologen implanteren nu al sporadisch elektroden in mensenbreinen, maar voor een brede toepassing is meer duidelijkheid nodig over de veiligheid. Het openen van de hersenpan is hoe dan ook geen aantrekkelijke ingreep. Op het eerste oog bestaan er alternatieven. ``Elke techniek die gebruikt kan worden om hersensignalen af te lezen is ook geschikt voor communicatie met de buitenwereld'', zegt Lizann Bolinger, verbonden aan het Canadese instituut voor biodiagnostiek. ``Maar bij technieken als EEG, fMRI of PET heb je altijd te maken met een wisselwerking tussen resolutie en snelheid. Sommige technieken werken snel, maar daar staat dan tegenover dat ze geen gedetailleerd beeld geven van de hersenactiviteit. Als je snelheid met een hoge resolutie wilt combineren, dan moet je het brein in.''

Hoe zijn hersensignalen te gebruiken voor het aansturen van een robotarm? Neuronen genereren elektrische pulsen (actiepotentialen) die in de hersenen via synapsen worden doorgegeven aan andere neuronen. Zo communiceren ze met elkaar. De eerste stap in de aansturing van de apenarm van Andrew Schwartz is het registreren van deze actiepotentialen met honderd of meer minuscule elektroden. In de modernste variant hebben de elektroden een lengte van één tot anderhalve millimeter en zijn ze samengebracht op een chip. Een neuron geeft een signaal af doordat positieve lading (natriumionen) de zenuwcel instroomt: de neuron vuurt. Als gevolg daarvan verandert het elektrisch veld aan de buitenkant. Een elektrode kan deze snelle veranderingen in het elektrische veld registreren.

Omdat bij eenvoudige bewegingen duizenden neuronen vuren is het onbegonnen werk om ze allemaal aan te sluiten op een elektrode. Gelukkig leverden de (maximaal) enkele honderden neuronen die Schwartz en zijn collega's peilden toch voldoende informatie voor een rudimentaire armbeweging. De crux van de robotarm van Andrew Schwartz is een computerprogramma dat de individuele signalen van de apenneuronen vertaalt in de gewenste bewegingen. Aan de ontwikkeling en verbetering van deze software werkt Schwartz al meer dan tien jaar.

Als eerste stap was het nodig de apen ``te leren tekenen in virtual reality''. Dit betekent dat een aap met zijn hand een (virtueel) balletje volgt dat voor zijn neus cirkels draait. Terwijl de aap cirkeltjes tekende in de vrije ruimte registreerde Schwartz met de minuscule elektroden op zijn neuronen de hersenactiviteit in de motorcortex. Dat is een deel aan de buitenkant van de hersenen dat betrokken is bij het aansturen van bewegingen.

Schwartz vond dat de snelheid waarmee verschillende neuronen een impuls afgeven samenhangt met de richting waarin de aap zijn hand beweegt. Schwartz: ``Bij een bepaalde bewegingsrichting van de arm vuurt een bepaalde zenuwcel met zijn maximale snelheid. Deze richting hebben wij de voorkeursrichting genoemd.'' Met deze informatie was Schwartz in staat de gewenste armbeweging van de aap te destilleren uit de som van de individuele neuronen die op een bepaald moment vuren.

Die informatie was de input van steeds verder verbeterde software waarmee achtereenvolgens een cursor, een bewegende bal in een vlak en – enkele weken geleden voor het eerst – een driedimensionale computerarm werden aangestuurd. De neuronen in de motorcortex vuren anders als de aap zijn arm echt beweegt (tegelijk met de computerarm) dan wanneer zijn arm is vastgebonden (de aap denkt dan alleen aan een beweging). Het verschil in hersenactiviteit bleek echter voorspelbaar en Schwartz kon het in zijn computerprogramma verwerken.

robotarm

Omdat de enkele honderden neuronen die Schwartz aftapt een fractie zijn van de duizenden neuronen die in werkelijkheid betrokken zijn bij een armbeweging tastten de apen aanvankelijk mis. Na enkele dagen oefenen slaagden ze er steeds beter in de robotarm nauwkeurig te bedienen. ``De de snelheid waarmee de afgetapte verschillende neuronen vuurden veranderde'', zegt Schwartz. Eén van de resusapen in zijn laboratorium houdt het met zijn `neurale prothese' al 7,5 jaar uit, maar bij de meeste aapjes werken ze maar een half tot anderhalf jaar. ``In principe kan de prothese daarna wel vervangen worden'', zegt Schwartz.

Bij mensen worden elektroden nu al aangebracht in de hersenen van Parkinsonpatiënten. De micro-elektroden stimuleren dan neuronen. De omgekeerde weg, het `aflezen' van neuroactiviteit om bijvoorbeeld een cursor aan te sturen, is bij mensen nog een zeldzaamheid.

John Donoghue en zijn collega's van het beursgenoteerde bedrijf Cyberkinetics in Foxboro (Massachusetts) brachten in juni van het afgelopen jaar een chip met honderd of meer elektroden in het brein van een 25-jarige jongeman die beneden de nek totaal verlamd is. De jongen leerde een cursor in één richting over een computerscherm te bewegen en als de cursor op de juiste plaats staat kan hij met `denkkracht' zijn e-mail openen. In het kader van een eerste klinische studie wil Cyberkinetics de komende tijd nog eens vier proefpersonen aansluiten op dit apparaat, Braingate gedoopt.

Cyberkinetics plaatst een plaatje (chip) van 4 mM&Sup2; met 100 naaldjes (1 of 1,5 mm lang) in de primaire motorcortex. De chip is via draadjes verbonden aan een contact op de buitenkant van de schedel dat op zijn beurt is aangesloten op een computer. Het verplaatsen van een cursor over een computersysteem is een eendimensionale en daarom relatief eenvoudige opdracht. ``Wat wij doen met onze resus-apen is veel ingewikkelder'', zegt Andrew Schwartz. ``Wij werken met echte apparaten, daarvoor is veel meer informatie nodig.''

Volgens een recent persbericht van Cyberkinetics heeft de 25-jarige de eerste zes maanden met een implantaat probleemloos doorstaan. Toch maken wetenschappers zich zorgen over de houdbaarheid van het systeem. ``We zien allemaal dat de micro-elektroden in het brein een probleem vormen'', zegt luitenant-kolonel Ling. ``Wetenschappers willen er graag zo veel mogelijk gebruiken om de betrouwbaarheid te verhogen, maar tenminste een deel van de elektroden richt schade aan. Er ontstaat dan littekenweefsel en op termijn zal de elektrode niet meer naar wens werken.''

Op het eerste gezicht zijn er tal van alternatieven voor de elektrode in de hersenpan. Lizann Bolinger werkt met verschillende scantechnieken zoals Positron Emission Tomography (PET) en functional Magnetic resonance Imaging (fMRI). ``Probleem is dat ze onder meer de verhoogde doorbloeding registreren van actieve delen van de hersenen. Dat is een traag proces dat minuten kan duren en dus in principe niet geschikt voor het aansturen van een extern apparaat.''

Neurowetenschappers van de Universiteit van Maastricht maakten afgelopen zomer gebruik van fMRI in een (nog ongepubliceerd) experiment waarin proefpersonen het computerspelletje Pong speelden (een soort tennis of ping-pong met een cursor op het computerscherm). Om dat mogelijk te maken moest de snelheid van het `balletje' sterk worden teruggebracht, zo legt Bettina Sorger van de Universiteit van Maastricht uit. In een spelletje brein ping-pong gaat het `balletje' in 12 seconden van de ene naar de andere kant van het `veld' in het echte computer-spelletje duurt dat maar 2 seconden.

Voorlopig is EEG (elektro-encefalografie) de enige praktische techniek die zich wat betreft reactiesnelheid kan meten met een direct aangesloten elektrode. In een EEG registreren 64 op de schedel bevestigde sensoren (soms ook minder) de spanningsverschillen tussen delen van de hersenen. De EEG registreert zo relatief omvangrijke elektrische stroomcircuits in de hersenen, geen individuele neuronen. ``Jammer genoeg is de ruimtelijke resolutie van de EEG erg beperkt'', zegt Bolinger. ``We hebben wel een idee waar bepaalde signalen vandaan komen, maar voor een gedetailleerde plaatsbepaling zijn onze modellen van de hersenen nog niet accuraat genoeg.''

joggen

Een beperkte resolutie betekent dat mensen met een scanner soms ingewikkelde technieken moeten toepassen om een beweging te realiseren. De Pong-spelers in Maastricht dachten aan uiteenlopende zaken zoals dansen, joggen en muziek, maar niet aan een bewegende cursor op het computerscherm. ``Mensen die via een EEG een robotarm bewegen zullen moeten denken aan iets anders dan het bewegen van hun hand'', zegt Bolinger. ``De ruimtelijke resolutie van een EEG is in vergelijking met elektroden zo slecht dat je gebruik zult moeten maken van sterk uiteenlopende taken in verschillende delen van de hersenen. Ik denk dat we de ruimtelijke resolutie in de toekomst zullen verbeteren, maar ik geloof niet dat we ooit zo ver zullen komen dat je deze technieken kunt gebruiken om op een verfijnde manier je hand te bewegen.''

Toch is niet iedereen overtuigd dat het gat in het hoofd onvermijdelijk is om een nuttige prothese aan te sturen. Jonathan Wolpaw van de Universiteit van New York publiceerde eind vorig jaar over een onderzoek waarin vier proefpersonen een cursor in verschillende richtingen over een computerscherm sturen (Proceedings of the National Academy of Sciences, 21 december 2004). In plaats van een elektrode in het brein gebruikte Walpow voor de registratie van de hersensignalen een EEG.

Bij iemand die wakker is bestaan ritmische variaties in de potentiaalverschillen tussen de elektroden die voor een EEG op de schedel worden geplaatst. Sommige golven die zich door de motorcortex bewegen hebben een frequentie van 8-12 Hz (mu-golven) anderen variëren tussen 18 en 26 Hz (bèta-golven). Al langer is duidelijk dat bewegingen of voorbereidingen van bewegingen gepaard gaan met een afname in mu- en bèta-ritmen. Om de proefpersonen de cursor te laten aansturen hanteert Wolpaw algoritmen die de amplitude van een golfbeweging op een specifieke frequentie vertalen in bewegingen van de cursor. Wolpaw paste varianten op dit algoritme toe bij elk van de vier individuen. Zo werd voor een van hen de verticale beweging van de cursor gerelateerd aan de amplitude van golven met een frequentie van 24 Hz en de horizontale beweging van de cursor aan golven met een frequentie van 12 Hz.

De vier proefpersonen – twee van hen zijn verlamd – moesten de cursor die telkens opnieuw verscheen in het centrum van het beeld binnen tien seconden naar acht verschillende plaatsen aan de rand van het scherm dirigeren. In vele tientallen sessies lukte dat steeds beter en uiteindelijk haalden ze een successcores van 70 tot 92 procent.

joystick

Volgens Wolpaw toont zijn experiment aan dat het inbrengen van elektroden in het brein niet noodzakelijk is om mensen multidimensionale taken te laten uitvoeren met een brein-computer interface. Hij heeft uitgerekend dat zijn proefpersonen het qua precisie (er stonden kleine blokjes op het scherm), snelheid (2 tot 3 maal langzamer dan met een joystick) en successcore beter deden dan mensen met elektroden in de hersenpan in vergelijkbaar onderzoek.

Wolpaw meent dat het uitvoeren van driedimensionale bewegingen via een EEG-scan in de toekomst mogelijk wordt. Zeker als de gebruikte elektroden niet op de hoofdhuid worden geplaatst, maar onder de schedel op het hersenvlies. Dan moet wel de schedel gelicht worden, maar die operatie gaat aanzienlijk minder ver dan het passeren van het hersenvlies. De schedel verhindert het verkrijgen van een sterk signaal bij EEG-scans. ``Zo is het mogelijk om een excellente bewegingscontrole te krijgen zonder de klinische risico's die gepaard gaan met het inbrengen van elektroden in het brein'', schrijft Wolpaw.

Gaatjes boren of niet, het lijkt erop dat wetenschappers de beslissing in veel gevallen nog even moeten uitstellen. Luitenant-kolonel Ling mag dromen van Brahmsspelende geamputeerden, voor de korte termijn liggen de doelstellingen van het Amerikaanse ministerie van defensie veel dichter bij huis. Een deel van het geld dat Darpa de komende twee jaar beschikbaar stelt is erop gericht om een prothese te maken die gebruik maakt van de resterende zenuwbanen in een beschadigde arm of been.

In Nederland werkt het Roessingh Centrum voor revalidatie in Enschede aan deze methode. ``Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om een patiënt te laten voelen of de `knie' van een prothese gestrekt of gebogen is'', vertelt wetenschappelijk directeur prof.dr. Maarten IJzerman van Roessingh Research and Development.

Nu maken prothesen nog gebruik van myoelektrische signalen – signalen van de resterende spieren in een been of arm. Ling: ``Stel dat iemand zijn arm heeft verloren, maar nog een deel van zijn schouder over heeft en een deel van zijn rugspieren. Dan kun je daarvan gebruik maken.'' Zoals de pingpongers denken aan muziek of sporten, zo gebruiken ook de prothesedragers `mentale strategieën'. Ling: ``Dat betekent dat je bijvoorbeeld moet denken aan het gebruiken van je schouder om in werkelijkheid je elleboog te buigen.''

De modernste prothesen die al in gebruik zijn registreren de elektrische signalen die bijvoorbeeld de biceps en de triceps bij aanspanning afgeven, vertelt IJzerman. Een gespannen biceps opent een handvervangende grijper, een gespannen triceps maakt hem weer dicht. Als biceps en triceps samen worden aangespannen schakelt de prothese over in een andere modus: nu is het mogelijk met biceps en triceps het `polsgewricht' links of rechtsom te draaien.

grijper

Het gebruik van dit soort prothesen vergt veel training en de gebruiker houdt veel beperkingen. Ling: ``Verder naar het uiteinde van je ledematen gebruik je steeds meer spieren die steeds gedetailleerdere taken uitvoeren. Dichtbij de schouder heb je juist grote spiergroepen die veel kracht hebben en minder nauwkeurig zijn. Dat betekent dat je keuzes moet maken als je myo-elektrische signalen gebruikt. Ofwel je hebt een krachtige prothese met een haak aan het einde waarbij je de elleboog kunt buigen. Ofwel je kiest voor een grijper aan het einde.''

Op de lange termijn, meent Ling, is het onvermijdelijk dat patiënten prothesen direct vanuit de hersenen gaan aansturen. ``Als wetenschappers de directe neurale controle niet omarmen'', zegt hij, ``dan zullen we nooit afscheid kunnen nemen van de haak.''