Een machientje in ons brein dat ons geheugen een handje helpt

Hersenonderzoek Een geheugensteuntje in eigen hoofd: dat willen veel mensen best hebben. Het is onderweg, als geïmplanteerde elektrode.

Illustraties Pepijn Barnard

‘Waar kén ik die man ook alweer van?’ ‘Wat wilde ik hier eigenlijk doen?’ Dat sputterende geheugen kennen we bijna allemaal. Zeker wanneer de jaren gaan tellen ontkomen we er haast niet aan. Geen probleem, die tijdelijke haperingen. Maar de grote gaten die de ziekte van Alzheimer of een andere nare hersenaandoening in het geheugen kan slaan, zijn verschrikkelijk ontwrichtend.

Als het aan de Amerikaanse hersenonderzoeker Robert Hampson en zijn collega Theodore Berger ligt, komt daar een implanteerbaar apparaatje voor. Een geheugenprothese. Een machientje diep in ons brein dat ons geheugen een handje kan helpen.

Al jaren testten ze het concept. In plakjes hersenweefsel. Bij ratten. Bij aapjes. En vorig jaar publiceerden ze de resultaten van hun geheugenstimulatie-experimenten bij acht mensen. De patiënten lagen toch al in het Wake Forest Baptist Medical Centre, met tijdelijke elektroden in hun brein, om hun zware epileptische aanvallen te laten bestuderen.

„Ons geheugen is de kern van ons wezen. Het maakt ons tot wie we zijn”, zegt Hampson tijdens een videogesprek vanuit zijn huis in North Carolina. „Wij willen het geheugen herstellen van mensen bij wie dit door hersenletsel, een bloeding of een ziekte niet meer goed werkt.”

Tijdens de experimenten kijkt een proefpersoon naar een beeldscherm. Daar verschijnt bijvoorbeeld een foto van een paarse bloem op. Intussen geven elektroden kleine stroomstootjes af, op de plek diep in haar brein waar herinneringen worden gemaakt. Een minuut later verschijnen meerdere plaatjes op het scherm. Die bloem staat er weer bij. Als de proefpersoon de eerste foto goed heeft onthouden, wijst ze die aan.

Wanneer er stroompulsjes door hun hersens gejaagd werden, presteerden de acht proefpersonen 37 procent beter in deze test, vergeleken met proeven zonder die pulsjes. Ook als er een dik uur pauze zat tussen de eerste foto en de serie scoorden ze 35 procent beter met de ‘stroomondersteuning’.

Dat Hampson een herinnering kon versterken met stroompulsjes is verrassend. Maar het meest opmerkelijke is: dit waren niet zomaar elektrische pulsjes. Het waren pulsjes gebaseerd op de eigen hersenactiviteit van de proefpersonen.

„In onze proeven luisteren we de hersensignalen af die iemand zelf gebruikt terwijl hij of zij een geheugentest doet”, legt Hampson uit. „We gebruiken de signalen die optreden bij de correcte keuze. Die signalen voeren we terug in het brein. Op die manier versterken we het vermogen om herinneringen op te slaan en op te halen.” Hij publiceerde zijn onderzoek begin vorig jaar in het wetenschappelijke tijdschrift Journal of Neural Engineering.

Robotarmen en -benen

Hampson en zijn collega’s hebben de tijd mee. Lang waren collega-hersenonderzoekers sceptisch over de wilde ideeën van stukjes kunstbrein van silicium. Maar het onderzoek naar het samensmelten van het brein met computers neemt de laatste tijd een enorme vlucht. Mensen besturen robotarmen en -benen met elektrische signalen uit hun brein – met hun gedachten. Wereldwijd zijn er al 150.000 mensen met diepe hersenelektrodes en een pacemakerachtig apparaatje dat met stroomstootjes de ziekte van Parkinson, depressie of angst- en dwangstoornissen tegengaat.

Moeten mensen zelf kunnen kiezen of ze hun brein willen upgraden?

Het gebruik van de geheugensignalen is de uitvinding van de Amerikaanse biomedisch ingenieur Theodore Berger, die aan de University of Southern California in Los Angeles werkt. Sinds 1975 verdiept hij zich in de hippocampus, waar herinneringen worden gemaakt. De hippocampus is een tweeledig hersengebied dat ligt opgekruld in beide zijkanten van ons brein. Het is de spil van ons geheugen. In de jaren voor de eeuwwisseling begon Berger met zijn pogingen een prothese te bouwen die ons geheugen kan herstellen. Een computertje dat doet wat die hippocampus doet: nieuwe ervaringen omzetten in herinneringen.

Een groot probleem bij het bouwen van een geheugenprothese is dat wetenschappers geen idee hebben hoe onze hersencellen gedachten genereren. En alleen een ruw begrip van hoe zenuwcellen ervaringen opslaan als herinneringen. In grote lijnen gaat het zo: in de hippocampus komt alle informatie samen over wat we meemaken en hoe dat voelt, ruikt, klinkt en eruitziet, vanuit de buitenste laag van ons brein, de hersenschors. De hippocampus hercodeert en organiseert die informatie. Voor de langetermijnopslag en het terughalen van deze samenhangende herinneringen is er een intensieve dialoog met allerlei gebieden in diezelfde hersenschors.

Pulstreintjes

Voor Berger is het geen belemmering. Hij werkt met wat hij wél zeker weet. Hersencellen communiceren met elektrische pulsen. Die pulsjes zijn allemaal ongeveer hetzelfde. Wat verschilt, is de tijd die er tussen twee pulsen zit. Soms is er een treintje van zes elektrische piekjes achter elkaar, dan weer drie pulsen met langere tijd ertussen, of een ander patroon. De variatie is eindeloos. Zo geeft elke zenuwcel zijn signalen af aan de volgende, in een soort morsecode. Wát er precies gecommuniceerd wordt, is volstrekt onduidelijk. Maar na een bepaalde input volgt een gewenste output.

Dat gebeurt ook in de hippocampus. Wanneer we iets meemaken, ontvangt de hippocampus de elektrische morsecodes die de gebeurtenis beschrijven. Die morsecodes worden bij een serie tussenstations in de hippocampus steeds opnieuw gecodeerd. Vooral wat er gebeurt tussen het station bij de ‘ingang’, genaamd CA3, en dat bij de ‘uitgang’, CA1, is belangrijk voor de uiteindelijke opslag in ons geheugen. Als de hippocampus met zijn tussenstations niet meer werkt, bijvoorbeeld vanwege een bloeding, een tumor of de ziekte van Alzheimer, mislukt de opslag van nieuwe ervaringen in het geheugen.

Bekijk ook deze video waarin we uitleggen waarom in je geheugen graven moeilijk is: Kun je je eigen herinneringen vertrouwen?

Morsecodes

Wat Berger heeft gemaakt is een elektronische wegomlegging. Een computer met een algoritme die de input van station CA3 afluistert met elektroden, die signalen op dezelfde manier omzet als een gezonde hippocampus, en die nieuwe morsecodes doorstuurt naar station CA1.

Al in 2011 leerden Berger en Hampson labratten dat ze twee hefbomen in de juiste volgorde moesten overhalen om een drupje water te krijgen. Berger registreerde welke morsecodes er tussen CA3 en CA1 voorbijkwamen als de ratten het goed deden, en schreef een computerprogramma dat deze code nabootste. Vervolgens kregen de ratten een stofje waardoor hun geheugen niet meer werkte. Zo vergaten ze welke volgorde de beloning gaf. Maar wanneer Berger via zijn geheugenprothese de ratjes hun eigen gecodeerde signalen in het eindstation CA1 teruggaf, dan wisten ze het weer.

Sterker nog: ook nietsvermoedende soortgenoten haalden met de coderende signalen van getrainde collega-labratten in hun brein ineens bovengemiddeld vaak de juiste hendels over. De werking van de kunsthippocampus is daarna aangetoond bij apen, en nu dus ook bij mensen.

Familieleden herkennen

De Utrechtse hersenonderzoeker Nick Ramsey, die niet bij het Amerikaanse onderzoek betrokken is, is onder de indruk van de nieuwste studie van Hampson. Ramsey’s groep implanteerde als eerste ter wereld een hersenelektrode en een klein apparaatje bij een volledig verlamde vrouw, waarmee zij al twee jaar lang thuis een tablet kan bedienen. „Het onderzoek van Hampson en Berger is interessant en elegant. Het verbaast me dat dit niet in een hoger aangeschreven wetenschappelijk tijdschrift is geplaatst, zoals bijvoorbeeld Nature Neuroscience. Het is degelijk onderzoek dat voor het eerst laat zien dat dit principe werkt. En dat is erg bijzonder.”

Wel zet Ramsey vraagtekens bij de interpretatie van het onderzoek. „Ik vraag me af hoe dit uiteindelijk iets kan betekenen voor mensen met geheugenproblemen. Ons geheugen is complex. Als je op straat loopt, krijg je honderden indrukken per seconde. Er is nog een lange weg te gaan voordat bijvoorbeeld het herkennen van familieleden versterkt kan worden.”

Geheugencodes

Daar zijn Hampson en Berger ook van doordrongen. Op het jaarlijkse wereldcongres voor hersenwetenschap, afgelopen november in San Diego, presenteerden ze nieuwe onderzoeksgegevens. Ze probeerden specifieke geheugencodes te maken voor plaatjes in vijf categorieën: gebouwen, planten, dieren, gereedschappen en voertuigen. Bij drie van de vijf categorieën lukte het om die specifiek in het geheugen te versterken. Hampson wil niet zeggen welke drie. „Deze resultaten zijn nog niet gepubliceerd.”

Net als bij de ratten is het intussen ook gelukt om met de neurale geheugencode van de ene proefpersoon een andere proefpersoon tot betere geheugenprestaties te brengen. „Bij mensen werkt het niet zo goed als bij ratten, maar voor sommige categorieën lijkt er een overeenkomstige code te zijn”, aldus Hampson.

Early days

Hampson had aanvankelijk de grootste moeite om onderzoeksresultaten gepubliceerd te krijgen, vertelt hij. „Steeds moesten we van de beoordelaars nieuwe controle-experimenten doen. Het duurde soms wel vier jaar voor ze tevreden waren.”

Zeker, het zijn de ‘early days’, beaamt Hampson. Het experiment in het ziekenhuis laat alleen zien dat het kan werken, een geheugenprothese. Nu nog staan er meerdere computers naast het bed, en geven lange dikke kabels de door het algoritme aangestuurde stroomstootjes af.

Het doel van Hampson en Berger is om dit alles te laten doen door een geïmplanteerd apparaatje en een hersenelektrode. En dat is dus geen utopie, want vergelijkbare technologie bestaat al en werkt. Bovendien wordt hun onderzoek betaald door DARPA, de research & development-afdeling van het Amerikaanse ministerie van defensie. Die organisatie steekt veertig miljoen dollar in onderzoeksprojecten die geheugenprotheses ontwikkelen, waaronder dat van Berger en Hampson. DARPA hoopt er in de toekomst de honderdduizenden militairen mee te kunnen helpen die hersenletsel hebben opgelopen op missies. Met steun van zulke fondsen kan het onderzoek hard gaan.

Wanneer zal er een bruikbare, implanteerbare geheugenprothese zijn? Hampson ziet het zonnig in. „Het zou me niet verbazen als we binnen vijf jaar een prototype hebben”, zegt hij. „Op dit moment is een aantal computers nodig voor de stimulatie en om het algoritme te laten draaien, er zitten kabels tussen de patiënt en de apparatuur, en de elektrodes blijven maar twee weken in het brein. We moeten dus onder meer een klein implanteerbaar apparaatje ontwikkelen, en nieuwe elektrodes.”

Ramsey daarentegen: „Binnen vijf jaar? Daar geloof ik helemaal niets van. Binnen die tijd kun je geen nieuwe elektrodes ontwikkelen. Onderzoekers die vooral met proefdieren werken onderschatten hoe lastig het is om toestemming van medisch-ethische commissies te krijgen voor onderzoek bij patiënten.”

Hersenverbetering

Intussen zien tech-miljonairs in Silicon Valley glorieuze tijden aanbreken. Ze steken hun snel verdiende miljoenen graag in de ontwikkeling van deze technologie. Niet alleen om mensen met een hersenbloeding of dementie ermee te kunnen helpen, maar vooral om de hersenen van gezonde mensen te kunnen upgraden.

Zo richtte Tesla-CEO Elon Musk onlangs het bedrijf Neuralink op, met als doel een brein-computer-verbinding te maken. Na de aankondiging bleef het tot nu toe stil. Ook Facebooks Mark Zuckerberg werkt aan een manier om met gedachten computers te besturen.

De concreetste plannen heeft de jonge Silicon Valley-ondernemer Bryan Johnson, die 800 miljoen dollar cashte met de verkoop van zijn op 30-jarige leeftijd opgerichte bedrijf Braintree. Hij stopte een paar jaar geleden 100 miljoen daarvan in zijn nieuwe bedrijf Kernel, dat technologie wil ontwikkelen „om de menselijke cognitie radicaal te verbeteren”. Tot voor kort was Berger er chief scientific officer, opgetogen dat Johnson de benodigde enorme sommen geld in het onderzoek wilde stoppen.

Andere richting

Begin 2017 was er op uitnodiging van Kernel nog een persconferentie in een ziekenhuis waar een epilepsiepatiënte ten overstaan van de verzamelde journalisten dezelfde proeven deed als die Hampson beschrijft in zijn publicatie. Het Amerikaanse tech-magazine Wired tekende die gebeurtenis op. Niet lang daarna zegde Berger de samenwerking met Kernel op. Hij wilde er aan Wired niet veel over kwijt, behalve dat Johnson te snel wilde. Hampson weet er niets over, zegt hij. „Ik heb begrepen dat Kernel een andere richting op gaat.” In het jongste persbericht van Kernel staat dat het bedrijf zich richt op niet-invasieve brein-computerverbindingen, waarvoor geen elektrodes ín de hersens geplant hoeven worden.

Voor de invasieve geheugenprothese is er vooralsnog alleen dat algoritme van Berger. Waar niet Kernel met al zijn miljoenen mee mag werken, maar Hampson en de collega’s aan het Wake Forest Baptist Medical Centre. Hun doelen zijn bescheiden: „Ik wil de normale geheugenfunctie herstellen bij mensen die die verloren hebben. Bijvoorbeeld mensen met de ziekte van Alzheimer, of mensen met epilepsie die soms ook last hebben van geheugenproblemen. In breinverbetering, ‘enhancement’ van gezonde mensen om een supergeheugen te krijgen, ben ik niet geïnteresseerd. Ik wil de mensen helpen die tekortkomingen hebben.”

Hij realiseert zich dat een techniek als deze uiteindelijk ook voor breinverbetering gebruikt kan worden, net als plastische chirurgie en ooglaseren. Hampson: „Het is een interessante vraag of mensen dat zelf zouden moeten kunnen kiezen. Of ze wel toegerust zijn om hierover beslissingen te nemen voor zichzelf. Daarover moeten ethici en de maatschappij in gesprek. Dat is een discussie voor andere mensen dan ikzelf.”

    • Niki Korteweg