Mensen die van top tot teen verlamd zijn, kunnen via elektrodes in hun brein apparaten bedienen, puur op denkkracht. Binnenkort krijgen de eerste proefpatiënten er een voor thuisgebruik.

Verschenen in NRC Handelsblad op 22 juni 2013

Een jonge man van begin twintig zit rechtop tussen groene lakens in een ziekenhuisbed van het UMC Utrecht. Hij is druk in de weer met zijn mobiele telefoon. Op zijn hoofd staat een fikse puntmuts van wit verband, een soort smurfenmuts zonder knik er in. Uit de punt komt een vuistdikke bos samengebonden snoeren. Een neurochirurg heeft een opening van tien bij tien centimeter in zijn schedel gemaakt, en vijf kunststof matjes op zijn brein gelegd, met in totaal 112 elektrodepunten. Het witte hoofddeksel dekt de wond af, en herbergt een stuk of tien kokervormige verloopstukken. Daarin maken de snoertjes van de elektrodes contact met de kabels die naar de computer lopen. Op zijn wangen en kin prijkt een warrig baardje.

Hij legt zijn telefoon weg als hersenonderzoeker Mariska van Steensel naast hem komt zitten om een test te doen. Op een scherm voor zijn neus staat een verticaal balkje aan de rechterkant, bovenin. Een stipje op het scherm beweegt langzaam over het midden van links naar rechts. De jongen moet het naar boven sturen, zodat het de balk raakt. Met zijn gedachten.

De onderzoekster vraagt hem in gedachten terug te tellen in stappen van drie: 42, 39, 36, enzovoorts. Het reizende stipje stijgt boven de middellijn uit en komt tegen de balk aan. Raak! Een andere keer staat het balkje juist rechtsonder. Dan moet de jongen niet tellen, en daalt het stipje. Weer raak. Aan niets denken is nog best lastig. Maar hij doet het erg goed. In meer dan 85% van de gevallen raakt het stipje de balk.

Van Steensel gebruikt twee van de 112 elektroden voor de afleiding van het signaal waarmee ze wil werken. Ze zitten aan de zijkant van het voorbrein. Daar huist het werkgeheugen, dat actief is als je lopende zaken even moet onthouden.

Dit signaal hopen Van Steensel en haar baas, hoogleraar Cognitieve Neurowetenschappen Nick Ramsey, in de niet al te verre toekomst te kunnen gebruiken voor een brein-computer koppeling voor locked-in patiënten. Die mensen zijn volledig verlamd door een ongeluk, een hersenbloeding, of de meedogenloos voortschrijdende zenuwziekte ALS (amyotrofische laterale sclerose). Hun verstand werkt prima, maar ze zitten opgesloten in hun lijf. Alleen al een simpele aan/uit schakelaar, waarmee de patiënt alarm kan slaan, ja of nee kan zeggen, of letters op een computerscherm kan kiezen, zou een wereld van verschil brengen. Laat staan een computer die kan uitspreken aan welke woorden of letters de gebruiker denkt.

Het klinkt simpel. Het brein bestuurt ons lijf dankzij elektrische stroompjes. Die signalen kan een computer ook leren begrijpen. Iemand met een elektrode in zijn brein kan zich bijvoorbeeld inbeelden dat hij zijn arm omhoog beweegt, of zijn tong. Een computer vertaalt die gedachte, de elektrische activiteit van de betrokken hersencellen, in de beweging van een cursor. Of van een robotarm.

Nu nog gebeurt dit versmelten van mens met computer mondjesmaat, alleen als experiment in laboratoria. Wereldwijd zijn er sinds 1998 pakweg 15 verlamde mensen voor een bepaalde tijd mee uitgerust, met verschillende soorten elektroden (zie kader). Op dit moment zijn er vier geïmplanteerd, in verschillende labs. Het onderzoek gaat maar langzaam vooruit.

Naakte hersenkronkels

Ramsey en Van Steensel maken handig gebruik van een bestaande behandeling voor mensen met zware epilepsie. Die patiënten krijgen soms tijdelijk een kunststof matje met tientallen kleine platte elektroden erin op hun hersenschors. Dat doet hun neuroloog om te bekijken waar hun epilepsieaanval precies begint. Dat stukje hersenweefsel, de bron van de epilepsie, snijdt hij dan weg. Met al die metalen meetpunten op zijn naakte hersenkronkels ligt de patiënt een week te wachten tot zich weer een epileptische aanval voordoet. In de tussentijd kunnen onderzoekers allerlei testjes doen met hem of haar. Bijvoorbeeld onderzoek naar hoe een brein, via één van die tientallen elektroden, een computer kan besturen.

Een testje doen met patiënten met matjes op hun brein die toch maar liggen te wachten. Dat klinkt eenvoudig. Maar de praktijk blijkt even weerbarstig en onvoorspelbaar als een epilepsieaanval. In het UMC Utrecht krijgen jaarlijks pakweg tien epilepsiepatiënten deze behandeling. Soms is de epilepsiehaard al snel bekend, en gaan de matjes er weer uit voor iemand een test kan doen. Soms is een patiënt na de zware operatie te moe. Pas als hij wel helder genoeg is, en zin heeft om mee te doen, als de behandelend artsen geen onderzoek moeten doen, als het geen bezoekuur is of etenstijd, en als hij geen epileptische aanval heeft, en bovendien de computers niet crashen, de stroom niet uitvalt, en het artsenbezoek niet uitloopt, ja, dan kan Van Steensel haar experiment doen.

BCI-onderzoekers lopen dus tegen een eindeloze reeks technische en experimentele obstakels oplopen. Maar het feitelijk  besturen van een computer met een brein lijkt relatief makkelijk te gaan. Dat is bijzonder, want hoe leert een brein iets te besturen dat het nooit eerder heeft gedaan? Net als leren fietsen, bleek vorige week. Jeremiah Wander en zijn collega’s van de Universiteit van Washington in Seattle ontdekten dat het leren gebruiken van een BCI op dezelfde manier werkt als bijvoorbeeld leren golfen, of typen. Eerst moet de patiënt goed nadenken bij wat hij doet. Maar na een tijdje gaat de vaardigheid haast automatisch, schreven de onderzoekers op tien juni in het vakblad the Proceedings of the National Academy of Sciences.

Wander onderzocht zeven epilepsiepatiënten met elektrodenmatjes op hun brein. Zijn test was dezelfde als die van Van Steensel, alleen het hersengebied dat bestuurde verschilde. Zijn proefpersonen bestuurden een cursor door in gedachten een beweging met hun hand of hun tong te maken. Terwijl de ene elektrode voor de besturing van de computer werd gebruikt, registreerden de andere meetpuntjes in het matje waar hersenactiviteit was. Wander ontdekte dat er bij het aanleren van deze taak veel verschillende hersengebieden actief zijn. Als de patiënt meer geoefend raakt in de taak, wordt de activiteit in die serie hersengebieden een stuk minder.

Een interessante ontdekking, vindt Van Steensel. ”Dit onderzoek laat zien dat het wellicht mogelijk is om steeds een stapje verder te gaan, en nog iets nieuws te leren als de eerste stap een automatisme is geworden. Zo kunnen we misschien mensen de cursor ook in andere richtingen laten sturen.”

Vooralsnog richten de Utrechtse onderzoekers zich op het maken van een aan/uitschakelaar voor locked-in patiënten. Ramsey, op rondreis langs de labs waar ze aan BCI werken in de Verenigde Staten, vertelt via Skype over zijn plannen. “De goedkeuring door de ethische commissie is bijna rond, we hopen in augustus te kunnen beginnen met het werven van vijf geschikte patiënten. Dat is lastig, er zijn naar schatting zo’n veertig mensen in Nederland in die staat, en ze moeten voldoen aan strenge selectiecriteria om mee te kunnen doen”, vertelt hij. “Een belangrijke eis is bijvoorbeeld dat een patiënt nog duidelijk ja/nee kan aangeven. Door met zijn oog te knipperen, of door een kleine vingerbeweging.”

“We willen bij elke patiënt vier stripjes van vier elektroden implanteren”, legt Ramsey uit. “Twee op de prefrontale hersenschors, waar het werkgeheugen zit. En twee op het motorische gebied dat handbewegingen aanstuurt. Daarna testen we welk gebied het beste werkt voor de individuele patiënt. Van die elektrode maken we een aan/uitschakelaar. Het systeem dat we willen bieden, moet zo stabiel zijn dat het dag en nacht, 24/7 aan kan blijven. Je kunt niet hebben dat een alarmknop het niet doet.”

De bedoeling is dat de patiënten voor langere tijd thuis met het systeem gaan werken. Daarom wil Ramsey een versterker die draadloos uitgelezen kan worden. Dan zitten de deelnemers thuis tenminste niet met een witte puntmuts vol snoeren. Via een onderhuids kabeltje wordt de elektrode verbonden met een versterker ter grootte van een Zippo-aansteker onder de huid van de borstkas. De versterker stuurt draadloos signalen naar een ontvanger. Het Utrechtse lab is het eerste in de wereld die locked-in patiënten in een thuissituatie met een zal BCI uitrusten.

 Aan/uitschakelaar

Er zijn maar weinig patiënten die volledig gevangen zitten in hun eigen lijf. Als iemand maar een oog of wangspier kan bewegen, kan hij daarmee een betrouwbare aan/uitschakelaar bedienen. Waarom wordt er dan toch zulk peperduur BCI onderzoek gedaan? “Dit onderzoek dient om te zien of het principe werkt. Kunnen we hersenactiviteit interpreteren en patiënten er echt iets mee bieden? Als de wereld ziet dat dit meerwaarde heeft, en dat het niet alleen een technisch hoogstandje is, dan zal dit de industrie en het onderzoek stimuleren”, denkt Ramsey. “Wij werken toe naar een systeem waarmee we taal kunnen decoderen. Daar heeft een veel grotere doelgroep iets aan: mensen die door een hersenbloeding of een tumor niet meer kunnen praten bijvoorbeeld.”

Om mensen die niet meer kunnen spreken een nieuwe taal te kunnen aanbieden, probeert Ramsey voor elke letter een bijbehorende unieke hersenactiviteit te decoderen. “We richten onze pijlen op twee gebieden: de taal van het gezicht, en de taal van het handgebied”, vertelt hij. “Voor de spieren in het gezicht en de handen is een relatief groot gebied van de motorische hersenschors verantwoordelijk. We proberen met een stripje elektroden voor elke vinger een apart signaal af te leiden. Zo hopen we te kunnen werken met de gebarentaal die doven gebruiken. In onze experimenten kunnen we vier handgebaren al goed onderscheiden, die voor de D, Y, V, en F.”

Zo kunnen straks verlamde mensen toch gewoon praten met anderen, of opdrachten geven aan hun computer. Zullen we in de verre toekomst ook onze tablets en smartphones via een BCI bedienen? Lachen we dan hard om zoiets onhandigs als Google Glass, de smartphone-in-een-bril die we moeten besturen door “Glass, take picture” te roepen? Er zijn genoeg mensen die denken van wel. Ramsey ziet het nog niet zo snel gebeuren.

“De ontwikkelingen gaan veel langzamer dan we zouden willen”, zegt hij. “De investeringen in dit onderzoek zijn gigantisch, er komt een enorme berg papierwerk bij kijken. Als dat eindelijk rond is, wil een investeerder niet gelijk weer toestemming moeten vragen voor een volgende innovatie. Die wil eerst een minimum aantal verkopen.” De integratie tussen techniek en organisme is onvermijdelijk, denkt Ramsey. “Maar ik verwacht niet dat dit zo snel gebruikt zal worden voor mensverbetering. Deze technologie moet wel concurreren met een bijna perfect systeem: onze eigen biologie. Het contact tussen onze zintuigen, onze ogen en oren, en ons brein is zo verfijnd. Het is altijd een zwaktebod om dat met techniek na te willen doen.”

Verschenen in NRC Handelsblad op 22 juni 2013

Computers in het brein

Er zijn twee manieren om hersenen direct aan computers te koppelen: met een naald-elektrode in de hersenschors, of met een oppervlakte-elektrode op het hersenoppervlak. Een naaldelektrode maakt direct contact met enkele tientallen zenuwcellen en meet hun elektrische pulsen (spikes). Een oppervlakte-elektrode meet de elektrische stromen (veldpotentialen) van pakweg 500.000 zenuwcellen tegelijk. De elektrodes zijn verbonden met een versterker die – soms al draadloos – contact maakt met een computer.

De meest gebruikte naaldelektrode is die van de Amerikaanse hersenonderzoeker John Donoghue. Het is een miniatuur spijkerbedje, niet groter dan een snipper confetti, met 96 haardunne elektroden. Donoghue prikt het spijkerbedje één millimeter diep in het hersengebied voor handbewegingen. Hij liet mensen er al computermuizen, kunstarmen en rolstoelen mee besturen. Zijn beste proefpersoon, de verlamde Cathy Hutchinson, bestuurde er vorige jaar een geavanceerde robotarm mee. Daarmee bracht ze een thermosfles koffie met een rietje naar haar mond om er een slok uit te nemen. Donoghue werkt toe naar een systeem waarmee verlamde mensen met signalen uit het brein via een glasvezelkabel de spieren in hun armen of benen weer kunnen besturen. Het principe werkt al: met een handbediende schakelaar kon een verlamde patiënt al uit een stoel opstaan.

Een andere naaldelektrode is die van de Amerikaanse neuroloog en hersenonderzoeker Philip Kennedy. Hij gebruikt een minuscuul glazen buisje met twee gouddraadjes er in. Uitlopers van 20 tot 40 zenuwcellen in de hersenschors groeien daar in en maken contact met het metaal. Zijn verlamde proefpersonen bestuurden er computers mee, en konden via een spraakcomputer klanken uitstoten. Kennedy’s doel is om verlamde mensen spraak terug te geven. Zijn onderzoek staat op een laag pitje omdat goedkeuring van experimenten met zijn zelfgemaakte apparatuur steeds lastiger wordt.

Oppervlakte-elektrodes is waar de Utrechtse hersenonderzoeker Nick Ramsey op inzet. Het zijn drie millimeter kleine platte elektroden op kunststof matjes onder de schedel en het beschermende harde vlies dat het brein bekleedt. Omdat de elektrode niet in het brein steekt is er minder kans op weefselschade en signaalverlies. Op termijn kan de elektrode misschien zelfs op het harde vlies, om infectiegevaar te verminderen. Ramsey werkt toe naar een systeem waarmee taal gesproken kan worden.

Daarnaast bestaan er ook systemen met meerdere elektroden die op de schedel veldpotentialen oppikken met behulp van elektroencephalografie (EEG). Makkelijker toepasbaar, maar een minder duidelijk signaal en minder betrouwbaar.

Voor gaming bestaan er joysticks die gebruikers met ‘gedachten’ besturen. Het zijn koptelefoons met elektroden aan een of meerdere vertakkingen. Ze reageren vooral op de elektrische signalen van de spieren in het gezicht.