Verlamden hun eigen armen of benen laten besturen: dat komt al in zicht

Technologie Met je hersenen je kunstledematen aansturen. De ontwikkelingen gaan hard. Het ultieme doel: verlamden hun eigen armen of benen weer laten besturen. Ook dat komt al in zicht.

President Obama geeft Nathan Copeland een boks. De veramde Copeland bestuurt een robotarm met zijn brein. Foto AP/Susan Walsh

Nathan Copeland, een man van 28 jaar met bruin haar en een volle baard, zit op een stoel, met zijn hoofd in een steun. Zijn handen rusten op zijn buik. Een geruite wollen sjaal is voor zijn ogen geknoopt. Op zijn hoofd prijken twee zwarte doosjes, van het formaat van een pakje sigaretten. Uit elk daarvan komt een vingerdikke kabel. De doosjes zitten stampvol elektronica die via twee gaten in de schedel contact maken met zijn brein.

Op de video waarin Nathan figureert is ook hersenonderzoeker Robert Gaunt te zien. Hij staat naast Nathan, en beweegt een voor een de vingers van een futuristisch aandoende robotarm, die op een standaard naast de stoel staat. „Wijsvinger”, zegt de man met de doosjes op zijn kop. „Ringvinger. Pink.”

Nathan is de eerste persoon ter wereld die aanrakingen van andere mensen kan voelen met zijn robotarm. Sensoren op de machinehand geven, zodra ze worden aangeraakt, via elektriciteitsdraden pulsen direct door aan het hersengebied voor het handgevoel. Het voelt redelijk natuurlijk, zegt hij.

Kijk naar vijf moderne voorbeelden van breinsturing. Tekst gaat verder na video:

Sinds een noodlottig auto-ongeluk twaalf jaar geleden, kan Nathan zijn onderarmen en benen niet meer bewegen. Hij raakte verlamd vanaf zijn nek. In de jaren die volgden ontdekte hij dat op een uur rijden bij hem vandaan, aan de Universiteit van Pittsburgh, wetenschappers experimenteerden met breingestuurde armprotheses.

Hij meldde zich als proefkonijn, en Gaunt implanteerde twee chips in het stuk hersenschors waar het gevoel van de hand en de vingers geregeld wordt. Dat waren minuscule spijkerbedjes, niet groter dan een snipper confetti, met elk 32 haardunne elektrodes. Door elke micro-elektrode kon Gaunt wat stroom jagen, om zo een klein groepje hersencellen te prikkelen.

„We konden zo voor elk van de 64 elektroden uittesten welk handgevoel ze opwekten bij Nathan”, vertelt Gaunt aan de telefoon vanuit Pittsburgh. Een elektrische prikkel uit het ene micronaaldje wekte bijvoorbeeld een drukgevoel in de wijsvinger op, een ander puntje gaf een sensatie in de pink. Soms was dat een gevoel van warmte, of een schokje. Zo kreeg Gaunt een kaart van het handgebied dat de implantaten bestreken: de onderste vingerkootjes en het stuk handpalm direct onder de vingers. Met zijn collega’s beschreef Gaunt de bevindingen vorige maand in Science Translational Medicine.

Met de kaart op zak koppelde Gaunt de 64 micro-elektroden in het brein van Nathan aan sensoren op de corresponderende vingers van een kunsthand. Na anderhalf jaar oefenen kon hij met een blinddoek in 8 tot 9 van de 10 gevallen goed aangeven welke robotvinger Gaunt aanraakte.

Geamputeerde oorlogsveteranen

De voelende robothand is een hoogstandje waar wetenschappers in het veld verlangend naar hebben uitgekeken. Het peperdure onderzoek wordt volledig gefinancierd door DARPA, een instituut van het Amerikaanse ministerie van Defensie, dat investeert in stoutmoedige projecten. Zij hopen op een dag verlamde en geamputeerde oorlogsveteranen een nieuw ledemaat te kunnen bieden.

Het gaat de laatste jaren hard in de wereld van de neuro-bionische ledematen-ontwikkeling. In het jaar dat Nathan zijn nek brak, 2004, bestuurde de eerste mens ter wereld een computer via een brein-elektrode, aan de Amerikaanse Brown University. Matthew Nagle, een twintiger die vanaf zijn nek verlamd was geraakt door een steekpartij, bediende in plaats van met een computermuis, met zijn gedachten de cursor. Hij opende en gebruikte er programma’s mee, en speelde simpele computerspelletjes.

191116WET_Roboticarm

De zenuwsignalen die voor de fatale steekpartij nog gewoon zijn arm lieten bewegen, werden nu opgepikt door elektroden, en door een computer vertaald in commando’s. Door zich in te beelden dat hij zijn hand naar rechts bewoog, kon hij de cursor op het beeldscherm voor zijn neus naar rechts laten bewegen. BrainGate heet het systeem.

Acht jaar later bestuurde in hetzelfde onderzoekslab de verlamde Cathy Hutchinson via haar implantaat een rolstoel, en zelfs een robotarm. Ze kon er een thermosfles koffie met een rietje mee pakken, die naar haar mond brengen, een slok nemen, en hem weer terug op tafel zetten. De elektronica zat toen al bijna zes jaar in haar brein.

In datzelfde jaar, 2012, hapte aan de Universiteit van Pittsburgh de vanaf haar nek verlamde Jan Scheuermann verheugd in een reep chocolade. Ze had hem met haar brein-bestuurde robotarm opgepakt. Scheuermann heeft niet één, maar twee elektrodes op verschillende plekken in haar motorische hersenschors laten monteren. Daarmee kan ze de robotarm, die ze Hector noemt, vloeiend besturen in tien verschillende richtingen. Hij kan naar voren, opzij, de pols klapt om of wentelt om zijn as, en alle vingers bewegen. Een blokje pakken, grote en kleine buisjes, een bal, ze draait er haar robothand niet voor om.

Het voelt voor haar alsof ze versmolten is met de arm, vertelt ze in een video op de website van University of Pittsburgh Medical School. Hector is een verlengstuk van haarzelf geworden. En ook andere apparaten beheerst ze soepel met haar gedachten. Ze bestuurde er zelfs een keer een simulatie mee van een Joint Strike Fighter F-35 straaljager.

„Met deze technologie willen we mensen die geen spier meer kunnen bewegen, uiteindelijk controle laten herwinnen over een paar dingen thuis”, zegt Gaunt. „Een computer om te beginnen, een rolstoel, een assistent-robot, of een robotarm om dingen mee te pakken.” Met de tastzin die Gaunt op de robothand heeft weten te brengen, zal dat grijpen nog veel subtieler gaan.

Noodknop

Helaas is voorlopig de techniek nog niet toepasbaar buiten het lab. Er is een kamer vol apparatuur voor nodig, en er moet minimaal iemand bij de noodknop staan, voor het geval de robotarm onverhoopt iets doet wat gevaarlijk is. Bovendien moet het systeem voor elke sessie opnieuw worden ingesteld.

Nathan woont op een uur rijden van het lab. Tussen de experimenten door kan hij, losgekoppeld van de apparatuur, gewoon naar huis, met gaten in zijn schedel en al. „We letten er goed op dat de twee verbindingspoorten in zijn schedel, waar we in het lab de apparatuur op aansluiten, schoon blijven en niet geïnfecteerd raken,” vertelt Gaunt. „Als de chirurg de connectors installeert, houdt hij er rekening mee hoe iemand slaapt en in zijn rolstoel zit, en plaatst hij de aansluitpunten op een zo handig mogelijke plek.”

President Obama ontmoet Nathan Copeland.

President Obama ontmoet Nathan Copeland.

Thuis een robotarm besturen met het brein is er dus nog niet bij. Maar iets anders kan wel: afgelopen week was er het nieuws over de 58-jarige Hanneke de Bruijne, de eerste nagenoeg compleet verlamde vrouw die al maandenlang thuis een spellingscomputer bestuurt met een volledig implanteerbare brein-computer-verbinding. De Utrechtse hersenonderzoeker Nick Ramsey en zijn team schreven er 12 november over in New England Journal of Medicine.

Nog een stap verder dan een voelende, breingestuurde robotarm is het aansturen van een compleet exoskelet. Een robotpak dat de verlamde persoon stut terwijl hij staat, en via gedachten te besturen is. Voor de benen werkt het al redelijk, voor de armen nog wat minder.

Een glimp van deze toekomstdroom kregen oplettende toeschouwers in het Braziliaanse Corinthians stadion tijdens de openingsceremonie voor het WK voetbal in 2014. De half verlamde Juliano Pinto trapte daar de bal af door met signalen uit zijn hersenen de mechanische benen te besturen van het robotpak dat hem overeind hield. Die signalen werden niet via spijkerbedimplantaten uit zijn brein getapt, maar gewoon met elektrodeplakkers aan de buitenkant van zijn schedel. Dat systeem is lang niet nauwkeurig genoeg om een robotpak vloeiend aan te sturen, maar met deze stunt trok hersenonderzoeker Miguel Nicolelis van Duke University aandacht voor zijn WalkAgain project, waarbinnen hij ook met breinimplantaten wil werken. Het was meer een tikje dan een trap. Het duurde maar een paar seconden. Maar het was een begin.

Eigen spieren aansturen

Waar het onderzoek uiteindelijk toe moet leiden, daarover twijfelt Gaunt geen moment. „In het ideale geval” zegt hij, „lukt het ons met deze technologie om de breuk in het ruggenmerg van een patiënt te overbruggen, en kan hij zijn eigen verlamde armen of benen weer bewegen.”

Dat is een taaie uitdaging, beaamt hij, maar geen onmogelijke. Naast de eerste stap, met het brein een machine aansturen, is dan ook een tweede stap nodig: met een machientje de eigen spieren aansturen. In het Amerikaanse Cleveland FES Centre, een alliantie van verschillende instituten en universiteiten, werken ruim zeventig onderzoekers aan die tweede stap.

Ze gebruiken daarvoor een Functional Electrical Stimulation (FES) systeem: een instelbare elektrische pacemaker-achtige stimulator onder de huid, die via dunne elektroden verbonden is met zenuwen in spieren, of met spieren zelf. De patiënt kan zelf de stimulator aan of uit zetten.

Honderden mensen wereldwijd zijn inmiddels uitgerust met een FES. Niet alleen kunnen ze er hun verlamde benen mee trainen, en staan en lopen. Ook lamme armen en handen worden er al mee bestuurd, en er zijn mensen met een dwarslaesie of multiple sclerose (MS) bij wie het wordt gebruikt om controle te houden over hun blaas, hun darmen, en zelfs om, ondanks hun gevoelloze onderlijf, een erectie of zaadlozing te kunnen krijgen.

Een 64-jarige man die het gevoel in zijn linkerbeen kwijt was geraakt na een beroerte, leerde bijvoorbeeld door te trainen met FES weer beter lopen. Dat beschreef Nathanial Makowski in mei van dit jaar (in het American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation). De man kreeg zeven elektrodes geïmplanteerd in de spieren van zijn enkel, knie en heup. De onderzoekers maakten een stimulatiepatroon waarin de gestuurde bewegingen zó op elkaar waren afgesteld dat hij kon lopen. Zo kon de man in het lab het stappen trainen. Aan het einde van de rit liep hij twee keer zo snel. Buiten het lab mocht hij de experimentele stimulator nog niet gebruiken, maar dankzij de training kon hij weer een blokje om lopen in zijn buurt, in plaats van alleen rondscharrelen in huis.

In Cleveland hebben ze ook al ervaring met kunsthanden die kunnen voelen. Sensoren op hun handprotheses koppelen zij met elektriciteitsdraden niet direct in het brein van een patiënt, zoals Gaunt in Pittsburgh deed, maar aan oppervlakkiger gelegen zenuwen in het overgebleven stuk van een geamputeerde arm. De sensoren zijn zo gevoelig dat de patiënt, geblinddoekt, kan voelen of een onderzoeker de kunsthand aanraakt met een zacht watje of met schuurpapier.

Stap één, kunsthanden aansturen met breinimplantaten: dat kan dus. Die machinehanden of kunsthanden gevoel geven: check. Stap twee, spieren in iemands eigen verlamde armen of benen stimuleren met een elektriciteitskastje: check. Maar dit alles combineren? Via een breinimplantaat de spieren in de eigen lamme arm aansturen?

Jawel, ook dat kan sinds kort. In mei van dit jaar berichtten Chad Bouton en zijn team van het New Yorkse Feinstein Institute in Nature over hun hoogstandje met Ian Burkhart, die bij een duik in zee zijn nek brak. Hij is de eerste verlamde persoon ter wereld die met een implantaat in zijn brein, en een serie elektrodes rond zijn spieren, zijn eigen hand en onderarm weer kon bewegen.

Foto AP/Susan Walsh

Foto AP/Susan Walsh

De hersensignalen die drieënhalf jaar eerder nog zijn hand hadden laten bewegen, werden gebruikt om tientallen elektrodes aan te sturen die op zijn onderarm waren geplakt. Als daar stroom doorheen ging, trokken de onderliggende spieren samen. Na vijftien maanden lang drie keer per week oefenen kon Ian er al zijn vingers mee aansturen, en zijn pols en hand. Zo schonk hij er de inhoud van flesjes mee uit in een glas, en kon hij een klein staafje pakken om ermee te roeren. Hij speelde zelfs gitaar met zijn cyborghand.

In het Cleveland FES Center probeert biomedisch engineer en directeur Robert Kirsch ditzelfde systeem te laten werken met zijn onderhuidse elektrodes: een combinatie van het BrainGate hersenimplantaat met de spierelektrodes van zijn FES.

Gat in de schedel

Er zijn natuurlijk nog flinke hordes te nemen voordat iedere verlamde zulke bionische ledematen kan laten aanmeten en gebruiken. Een van de alleronhandigste en gevaarlijkste dingen van het systeem is het gat in de schedel waar het doosje elektronica met de dikke kabel aan vastgemaakt moet worden. De boel moet kleiner, lichter en vooral draadloos.

Bij proefdieren werkt zoiets al. Een groep wetenschappers van de Brown Universiteit onthulde in 2013 hun draadloze, volledig implanteerbare breinsensor met breedbandverbinding en oplaadbare batterij. Twee varkens en twee rhesusapen kregen zulke elektrodes in hun breinen. Alle elektronica zat in miniatuurversie onder de huid over hun schedel, verpakt in een hermetisch gesloten titanium doosje ter grootte van een Zippo-aansteker. De dieren konden er vrij mee rondlopen, terwijl de wetenschappers naar hun hersensignalen luisterden. Het werkte zestien maanden lang prima.

En vorige week beschreven Zwitserse onderzoekers in Nature hoe ze twee aapjes met een lamme achterpoot weer konden laten lopen met een implanteerbaar, draadloos systeem. Ze hadden het ruggenmerg van de aapjes zo doorgesneden dat één achterpoot het niet meer deed. Een breinimplantaat maakte draadloos verbinding met een computer, die de apenhersensignalen vertaalde naar commando’s voor een geïmplanteerde pacemaker. Die stimuleerde op zijn beurt een serie elektroden in het ruggenmerg van de aapjes, die de spieren in hun poot aanstuurden. Beide dieren konden na één tot twee weken alweer gewoon lopen.

De resultaten met brein-machine verbindingen bij apen worden snel vertaald naar experimentele toepassingen bij mensen. Vaak zit er maar vier jaar tussen. Alle spullen die de Zwitsers voor het apenonderzoek gebruikten zijn al goedgekeurd voor onderzoek bij mensen. Het is goed mogelijk dat tegen 2020 de eerste brein-ruggenmerg-brug bij een patiënt met een verlamming zal werken.

Hoe lang het nog zal duren voordat iemand als Nathan, vanaf zijn nek verlamd, met een volledig implanteerbaar systeem en een werkende robotarm naar huis kan worden gestuurd? Dat is niet te zeggen, volgens Gaunt. „Toen ik net begon in dit onderzoeksveld, in 2002, was ik op een conferentie waar men al voorzag dat zoiets zou kunnen. Nu zijn we 15 jaar verder en het is er nog niet. Maar we zijn absoluut dichterbij dan toen.”