10-03-2016

DURHAM, N.C. — Neurowetenschappers van Duke Health hebben een ‘brain-machine interface’ (BMI, automatische herseninterface) ontwikkeld die primaten in staat stelt een elektrische rolwagen te besturen met alleen maar hun gedachten. 

De BMI maakt gebruik van signalen van honderden neuronen die gelijktijdig worden geregistreerd in twee regionen van de hersenen van de apen, regionen die betrekking hebben op beweging en gewaarwording. Terwijl de dieren denken aan de weg naar hun doel — in dit geval een schaal rijpe druiven — zetten computers hun hersenactiviteit om naar real-time bevelen aan de rolwagen.

De interface staat beschreven in het nummer van 3 maart van het online tijdschrift Scientific Reports en demonstreert het potentieel voor mensen die de controle over hun spieren hebben verloren en nauwelijks nog mobiel zijn door toedoen van quadriplegie of ALS, zegt senior auteur Miguel Nicolelis, M.D., Ph.D., co-directeur van het Duke Center for Neuroengineering.

“Sommige mensen met een ernstige beperking kunnen zelfs niet met de ogen knipperen”, aldus Nicolelis. “Het gebruik van een rolwagen of apparaat gecontroleerd door non-invasieve middelen zoals een EEG (een toestel dat hersengolven registreert via elektroden op het hoofd) is voor deze mensen vaak ontoereikend. We tonen duidelijk aan dat je met intracraniale implantaten een betere controle hebt over een rolwagen dan met non-invasieve middelen.”

Wetenschappers startten in 2012 met de experimenten. Ze implanteerden honderden ragfijne microfilamenten in de premotor- en somatosensorische regionen van de hersenen van twee resusmakaken. Ze trainden de dieren door de rolwagen passief naar hun doel te navigeren, de schaal druiven. Tijdens deze trainingsfase maten de wetenschappers de grootschalige elektrische hersenactiviteit van de primaten op. Vervolgens programmeerden de onderzoekers een computersysteem om de hersensignalen te vertalen naar digitale motorcommando’s die de rolwagen besturen.

De apen leerden de rolwagen te besturen met alleen hun gedachten en werden daarbij steeds efficiënter en sneller in het navigeren naar de druiven, zegt Nicolelis.

Het Duke-team observeerde niet alleen hersensignalen die overeenkomen met translationele en rotationele bewegingen. Ze ontdekten tevens dat de hersensignalen van de primaten tekenen vertoonden van bewust nadenken over de afstand tot de schaal druiven.

“Dat was geen signaal dat bij het begin van de training werd opgevangen. Het dook op omdat de apen bedrevener werden in de taak”, aldus Nicolelis. “Dat was een verrassing. Het toont de enorme flexibiliteit aan van het brein om zich aan te passen aan een toestel, in dit geval een rolwagen, en aan de ruimtelijke relatie van het toestel met de omgeving”.

De tests maten de activiteit van bijna 300 neuronen in elk van de twee apen. Eerder rapporteerde het Nicolelis-lab via dezelfde techniek al de mogelijkheid om meer dan 2.000 neuronen te registreren. Het team hoopt nu het experiment uit te breiden door meer neuronale signalen te registreren om zo de doeltreffendheid en betrouwbaarheid te verhogen van de primaat-BMI. Daarna kan worden overgegaan naar tests met een geïmplanteerd apparaat bij mensen, zegt hij nog.

Naast Nicolelis werkten ook Sankaranarayani Rajangam, Po-He Tseng, Allen Yin, Gary Lehew, David Schwarz en Mikhail A. Lebedev aan de studie mee.

Deze studie werd gesubsidieerd door de National Institutes of Health (DP1MH099903). De Itau Bank van Brazilië leverde onderzoekssteun aan de studie in het kader van het Walk Again Project, een internationaal non-profitconsortium dat nieuwe hulptechnologieën wil ontwikkelen voor ernstig verlamde patiënten. De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.

Vertaling: Bart De Becker

Bron: Duke Medicine