Breinbediening

In benauwde dromen komt het wel eens voor. Je wilt hard wegrennen, maar je kunt je niet bewegen. Je wilt schreeuwen, maar uit je keel komt geen geluid. Voor sommige mensen is die nachtmerrie werkelijkheid. Zij zijn locked-in, opgesloten in zichzelf na een ernstig ongeluk waarbij hun ruggenmerg doormidden scheurde, door een beroerte, of door de genadeloos voortschrijdende spierziekte als (amyotrofische laterale sclerose). Hun brein functioneert prima, ze horen, zien en voelen alles, maar ze kunnen niets bewegen, niets zeggen, niets laten merken aan de mensen om hen heen. Als ze geluk hebben, kunnen ze nog contact maken via oogbewegingen. Kijk naar boven voor ja, kijk naar beneden voor nee.

Wat een uitkomst zou het zijn als iemand in die opgesloten toestand zijn nog werkende lichaamsdeel, zijn brein, zou kunnen gebruiken. Als hij, door denkbeeldig zijn hand naar rechts te bewegen, de cursor van de computer voor zijn neus ook die kant op zou sturen. Als hij met zijn gedachten zijn e-mail zou kunnen openen. Een kunsthand een snoepje laten pakken. Of een rolstoel besturen. Dat is geen paranormaal verschijnsel of sciencefiction. Het kan met een brain-computer interface (BCI). En het is al vijf jaar geleden dat Matthew Nagle, een vanaf de nek verlamde jongen, voor het eerst via een reeks micro-elektroden in zijn brein een computer bestuurde.

Inmiddels zijn er ongeveer vijftien mensen met verregaande verlamming geïmplanteerd met verschillende typen elektroden, in uiteenlopende hersengebieden. Bij elke nieuwe patiënt gaat het sturen met gedachten weer iets secuurder. Dankzij steeds betere computeralgoritmes, snellere computers en een steeds beter inzicht in de manier waarop hersenen werken. De volgende stap is een draadloos systeem, waarbij alle elektronica in miniatuurversie mee het brein in gaat. Bij rhesusapen werkt dat al.

KABEL

Een mini-spijkerbedje, een micro-array, niet groter dan een snippertje confetti, met 96 haardunne elektroden er op die in de hersenschors worden geprikt. En op de schedel een forse plug waar een versterker plus een vingerdikke kabel aan gezet kan worden om contact te leggen met de buitenwereld. Dat is wat Nagle kreeg, drie jaar nadat een steekpartij hem bijna volledig verlamde. Een computer vertaalde de hersensignalen in het deel van zijn motorische hersenschors dat hand- en armbewegingen aanstuurt, in commando’s voor besturingsprogramma’s. Van een cursor bijvoorbeeld, of een kunsthand.

De man die hem met de hardware uitrustte, John Donoghue, is hoogleraar Neuroscience and Engineering aan de Brown University in Providence (Rhode Island), en een van de pioniers op dit gebied. Hij was in oktober in Nederland als gastspreker op ‘Lof der Geneeskunst’, de jaarlijkse publiekslezing van het Erasmus Medisch Centrum Rotterdam. Voor aanvang van de lezing vertelt hij hoe het ervoor staat in zijn weerbarstige, multidisciplinaire onderzoeksveld.

“De belangrijkste vraag die we willen beantwoorden is: kunnen we deze microarray gewoon in het oppervlak van het brein zetten? Blijft hij werken, en is het veilig?”, vertelt Donoghue. “In totaal hebben we er nu vier patiënten enkele jaren mee uitgerust. Dat is nog te weinig om definitief te kunnen zeggen of het werkt en veilig is, maar we hebben bij geen van de vier bijwerkingen geregistreerd die te wijten zijn aan de apparatuur of de procedure. Het signaal verandert wel in de loop van de tijd, het hersenweefsel lijkt het materiaal aan te tasten. Maar we hebben onlangs 3,8 jaar gehaald bij patiënt nummer drie, en we krijgen nog steeds signalen.”

Donoghues derde patiënt is Cathy Hutchinson. Ze is een van zijn meest succesvolle. Na een hersenbloeding raakte zij dertien jaar geleden bijna volledig verlamd. Alleen haar ogen en haar gezicht kon ze nog bewegen. Een BrainGate implantaat, zoals de breincomputerkoppeling van Donoghue heet, zorgt dat zij nu, net als Nagle, computers kan aansturen. Ook een elektrisch aangestuurde rolstoel, vooralsnog zonder haarzelf er in, kan ze door een kamer heen laten rijden. “Zelfs over mijn tenen heen!” lacht Donoghue.

“We kunnen bij haar al veel beter het signaal uit het brein decoderen dat uiteindelijk de muis bestuurt. Bij Matthew was de beweging van de cursor nog erg bibberig en bobbelig. Zij kan echt iets aanwijzen en klikken.” Dat laatste kan Cathy doen door zich voor te stellen dat ze haar hand samenknijpt.

STROOMSTOOTJES

Elektronica rechtstreeks gekoppeld aan zenuwcellen. Het klinkt als iets voor in de verre toekomst. Maar er lopen vandaag de dag al bijna 200.000 mensen rond met elektroden in de zenuwen in hun oor, ruggenmerg of brein. Honderdduizend hebben een cochleair implantaat, een gehoorapparaat dat geluiden via elektroden in het binnenoor doorgeeft aan de gehoorzenuw. En bij 30.000 mensen steken een of twee vaste elektroden een paar centimeter hun hersenen in. Die roepen met kleine stroomstootjes uit een pacemaker onwillige zenuwen tot de orde, zodat bijvoorbeeld het hevige trillen bij mensen met de ziekte van Parkinson vermindert. Of obsessieve gedachten, tics of zwaar depressieve gevoelens.

Bij BCI worden zenuwen niet geprikkeld, maar registreren elektroden juist de vuursignalen, de zogeheten spikes, waarmee zenuwcellen met elkaar communiceren. Een computer kan die dan decoderen en omzetten naar commando’s voor andere apparaten. Die zenuwsignalen zijn in de motorische hersenschors vrij eenduidig, vertelt Donoghue. “We kunnen goed interpreteren op welke manier het brein ‘omhoog’ zegt, ‘omlaag’, ‘links’ of ‘rechts.”

Donoghue heeft vaak de publiciteit opgezocht met zijn werk, maar er zijn meer groepen die aan breincomputer-interfaces werken. De Amerikaanse hersenonderzoeker Philip Kennedy werkt sinds de jaren tachtig aan een systeem dat verlamde mensen weer in staat moet stellen om te praten. Hij leidt zijn eigen bedrijf Neural Signals Inc. in Duluth (Georgia). Zijn elektrode is een dun glazen buisje met drie of vier draadjes erin waar zenuwcellen omheen groeien. Daarmee leidt Kennedy signalen van pakweg veertig zenuwcellen in het mond- en spraakgebied van de hersenschors af. En die worden door een computer vertaald in klanken.

SPRAAKCOMPUTER

In november vorig jaar presenteerde zijn groep op een congres in de Verenigde Staten de resultaten van hun werk bij Erik Ramsey, een jongen die na een rampzalig auto-ongeluk in 1999 alleen nog door twee oogbewegingen kan communiceren: omhoog of naar beneden. Ramsey vult zijn extreem eenzame bestaan met het kijken naar films en het luisteren naar zijn favoriete heavy metalzanger Ozzy Osbourne. Dankzij de elektrode die Kennedy in 2004 in zijn brein implanteerde, kan hij zijn imaginaire mondbewegingen vrijwel zonder vertraging laten vertalen door de spraakcomputer, en zo de klinkers ‘a’, ‘ie’ of ‘oe’ zeggen. Inmiddels heeft Kennedy zes of zeven patiënten met een vergelijkbare elektrode uitgerust. Aan medeklinkers hopen de onderzoekers binnen een jaar toe te komen en aan complete woorden over een jaar of vier.

Een derde, opkomende techniek om direct uit de hersenen signalen op te vangen, is intracraniale elektrocorticografie. Daaraan werkt Nick Ramsey, hoogleraar Cognitieve Neurowetenschappen in het Universitair Medisch Centrum Utrecht – en stomtoevallig een naamgenoot van de eerste patiënt van Kennedy. Zijn techniek heeft een paar voordelen boven de andere twee technieken. “Wij werken met oppervlakte-elektroden, kleine matjes van kunststof waarin tot honderd elektroden zitten. Dat matje gaat niet in de hersenschors, maar er op”, vertelt Ramsey, “liefst zelfs ook bovenop het beschermende vlies dat om het brein heen zit. Daar werken we naartoe, omdat dat het risico op een infectie aanzienlijk verlaagt.”

De serie platte, twee millimeter grote elektroden in de matjes vangen signalen van zenuwcellen op. Dat zijn niet de spikes van enkele tientallen zenuwcellen, zoals de elektroden van Kennedy of Donoghue die opvangen. Het zijn zogeheten veldpotentialen, de globale elektrische stromen van 500.000 zenuwcellen tegelijk. “Zo heb je er minder last van dat sommige zenuwcellen wel eens een ‘off-day’ hebben. Als je maar enkele cellen meet, en die doen het een dag niet, of je elektrode verschuift een beetje, dan heb je een probleem”, aldus Ramsey.

“De matjes worden al twintig jaar gebruikt bij epilepsiepatiënten”, vertelt Ramsey. Bij een epileptische aanval is de prikkeloverdracht in een deel van het brein verstoord, waardoor een patiënt bijvoorbeeld bewusteloos raakt en ongecontroleerd gaat schokken. “Soms is niet duidelijk waar de bron van die ongeregeldheden zit. Met een tijdelijk aangebracht elektrodenmatje kunnen we meten welke zenuwcellen de aanval veroorzaken. Tijdens een tweede operatie gaat het matje er uit en nemen we het epileptische hersenweefsel weg.”

COMPUTERS

Ramsey laat epilepsiepatiënten die tijdelijk een oppervlakte-elektrode hebben gekregen, experimenteren met het besturen van computers. Zijn signaal is minder precies dan de spikes waar Donoghue mee werkt maar hij kan meerdere gebieden ‘uitlezen’ zoals die voor taal of de planning van bewegingen.

Ramsey’s doel is om een volledig implanteerbare BCI te ontwikkelen, die de patiënt zelf kan bedienen via het hersengebied voor planning. Ramsey: “Het nadeel van het systeem dat Donoghue gebruikt, is dat het alleen werkt als de onderzoekers er bij zijn om het aan te sluiten en in te stellen. Wij willen er naartoe dat we een patiënt opereren, het implantaat aanbrengen, en dat hij of zij dan naar huis kan met een altijd werkende aan/uit-schakelaar.”

Een aan/uit-schakelaar is ook op andere manieren te bedienen, los van het brein. In een plakker boven een wenkbrauw die nog op en neer kan bewegen bijvoorbeeld, of via een blaaspijpje waar lucht in of uit wordt geblazen. Toch zou een hersenimplantaat wenselijker zijn, vertellen dwarslaesiepatiënten en mensen met spierziekten Ramsey. “Die apparaten zien er niet uit. Ook daar moet iemand zijn om het aan te sluiten. En als het onverhoopt niet werkt, moet een patiënt lijdzaam wachten tot zijn verzorger terugkomt. Iets wat altijd werkt, is een grote stap voorwaarts naar meer persoonlijke vrijheid”, aldus Ramsey. “We hopen natuurlijk dat we meer kunnen bieden dan een schakelaar, maar we moeten realistisch blijven. Bovendien moet het ook betaalbaar zijn.”

Behalve via elektronica in het brein zijn computers ook te besturen met hersengolven die op de schedel worden gemeten. Daar werken verschillende onderzoeksgroepen aan. Het zijn vaak aan/uit-schakelaars, maar soms ook badmutsen vol elektroden die registreren of de letter die een patiënt voor zijn neus krijgt, de volgende letter is in het woord waar hij aan denkt. Bij het Californische bedrijfje Emotiv systems is zelfs al een ‘hersengestuurde’ joystick te koop. Het is een koptelefoon met wijdvertakte sensoren die op zestien punten contact maken met de schedel. Die registreren de hersengolfactiviteit waarmee de speler een game kan besturen. Is zoiets niet veel eenvoudiger uit te bouwen voor verlamde mensen? “Voor gaming is het erg cool”, lacht Donoghue. ”Maar het signaal dat ze oppikken, komt voornamelijk van de activiteit van de gezichtsspieren. Als je geen goed contact maakt met de schedel, dan heb je een erg zwak signaal uit de hersenen. Maar het is mooi speelgoed en mensen zullen overtuigd zijn dat ze hersenkracht gebruiken.”

Het infectiegevaar bij een hersenimplantaat, dat Ramsey noemde, is ook iets waar Donoghue sterk op let. Het ziet er goed uit, zeg hij. “Wij hebben al die jaren geen infecties gehad.” Desondanks wil Donoghue af van het gat in de huid, waar het contactpunt voor de versterker en de kabel doorheen steekt. De kabel is onhandig en gevaarlijk, hij kan achter iets blijven hangen. “We bouwen nu een compleet draadloos systeem, waarbij het signaal door de huid heen gezonden wordt. Onlangs hebben we dat met succes getest bij apen en daarover gepubliceerd. Dat draadloze systeem willen we uiteindelijk ook voor mensen.”

Op het nieuwe draadloze systeem, dat werkt met pietepeuterige miniatuurversies van de grote versterkers van het eerste uur, kan Dono-ghue ook een dunne glasvezelkabel aansluiten. Donoghue: “De decoder zet de elektrische signalen van het brein om naar lichtsignalen, die via een glasvezelkabeltje door het hele lichaam kunnen reizen. Die decoder is een kubusje van tweetiende kubieke millimeter groot, zo dik als een draad waarmee je naait. Samen met een versterkertje en een stel chips gaat hij op een klein platformpje het brein in. De lichtbronnen die gevoed worden door de hersenstroom zijn LED lampjes.“

Donoghue kreeg onlangs van de Amerikaanse overheid toestemming om vijftien nieuwe patiënten met zijn microarray uit te rusten. Daar kan hij jaren mee vooruit, want hij behandelt niet meer dan twee of drie mensen tegelijk. De investeerders van zijn bedrijf Cyberkinetics vonden het niet rap genoeg gaan: begin dit jaar ging het bedrijf dicht. Donoghue en zijn mensen onderzoeken in alle rust verder aan de universiteit. Hij ontkent dat het intellectuele eigendom van Cyberkinetics is gekocht door de man die nu The Brain Gate Company heeft opgezet, ook al staat dat wel op de website van dat nieuwe bedrijf.

BEENSPIEREN

De ultieme droom van Donoghue is om het brein via de glasvezelkabel te koppelen aan een kastje dat de eigen ledematen bestuurt. Daarvoor wil hij zijn BrainGate systeem aan een Functional Electrical Stimulation (FES) systeem verbinden, dat is ontwikkeld aan de Case Western Reserve University in Cleveland. Het bestaat uit een van buitenaf instelbare elektrische stimulator onder de huid, die via meerdere elektroden verbonden is met zenuwen in spieren. Daarmee kunnen bijvoorbeeld mensen met verlamde benen hun eigen beenspieren beurtelings laten samentrekken en zo de benen trainen, staan en lopen. Ook verlamde armen en handen worden er al mee bestuurd. Donoghue schat dat circa zeshonderd mensen FES gebruiken.

Donoghue: “Wij werken aan een systeem waarmee verlamde mensen met hun denkkracht hun eigen arm weer kunnen aansturen. Daar zijn we nog lang niet. We hebben een computeranimatie gemaakt van een arm die bewogen kan worden door zes spieren, met dezelfde algoritmes als die van FES.” Cathy kan die virtuele computerarm al heel goed besturen. “Ze kan zelfs met haar vingers knippen!” zegt Donoghue. “Als we haar eigen arm in een steun zouden leggen, zodat hij horizontaal ligt, dan zou ze met haar hand zelf iets kunnen pakken en naar haar mond brengen.”

Kennedy wil over enkele jaren een spraakcomputer hebben, die bijvoorbeeld ook nuttig kan zijn voor mensen die niet meer kunnen praten na een operatie tegen keelkanker. En Ramsey hoopt in de verre toekomst een implantaat te ontwikkelen dat niet alleen ledematen kan aansturen maar ook het gevoel voor aanraking kan herstellen met behulp van speciale sensoren in de huid, die terugkoppelen naar de hersenen.

Zal de futuristische BCI-technologie op termijn leiden tot computer-geworden mensen? Mensen die hun intellect, geheugen en cognitieve vermogens zullen opkrikken met geïmplanteerde elektronica, of woordeloos gedachten met elkaar uitwisselen? Er zijn onderzoekers die er van overtuigd zijn dat dit gaat gebeuren. Maar zowel Donoghue als Ramsey denkt van niet. Ramsey: “Ik heb een weddenschap met Eric Leuthardt, een BCI-onderzoeksleider in de Verenigde Staten. Ik zeg dat er over twintig jaar geen commerciële toepassing is van een brein-computerinterface voor niet-medische doeleinden.”

Donoghue ziet ook niet waarom iemand zoiets zou willen. Bovendien, benadrukt hij, “tijdens een gesprek gebruik je doorlopend je hele brein. Om draadloos en woordeloos met elkaar te kunnen communiceren, zouden we alle output van mijn brein doorlopend moeten koppelen aan alle input van dat van jou. Ik denk niet dat we de technologie kunnen maken die dat kan.”