Breingestuurd toetsenbord helpt mensen met ALS en verlamming

← ga terug naar Recente technologische ontwikkelingen

27-08-2015

Door Samantha Olson

Mensen met een ruggengraatletsel of een neurologische aandoening ervaren vaak moeilijkheden om te communiceren met de buitenwereld. Terwijl wetenschappers gedachtengestuurde toetsenpanelen hebben ontwikkeld om die kloof te overbruggen, zorgden proeffouten – verkeerd geïnterpreteerde hersencellen — voor een minder nauwkeurige interpretatie van gedachten door de protheses. Een team van ingenieurs aan de Universiteit van Stanford hebben onlangs een techniek ontworpen die het mogelijk maakt om de signalen van die beschadigde hersencellen op een meer accurate manier te lezen door gebruik te maken van een virtueel toetsenbord dat nauwkeuriger is dan zijn voorloper. Het onderzoek, gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications, zou kunnen leiden tot de snelste gedachtenlezende prothese van tegenwoordig.

“Breingestuurde prothesen zullen leiden tot een opmerkelijke verbetering van de levenskwaliteit”, zegt Krishna Shenoy, hoofdauteur van het onderzoek en elektrotechnisch ingenieur aan Stanford, tijdens een persconferentie. “De snelheid en nauwkeurigheid van deze prothese is het resultaat van jarenlang fundamenteel neurologisch onderzoek en van een combinatie van deze wetenschappelijke ontdekkingen met de basisbeginselen van wiskundige controlealgoritmes.”

Het onderzoeksteam heeft een gedachtengestuurde cursor ontwikkeld die een virtueel toetsenbord kan bedienen, bedoeld voor mensen met verlamming of ALS-patiënten. Wanneer een ruggengraatletsel of neurologische aandoening zoals ALS de verbinding tussen het brein en de ledematen verstoort, worden elementaire motorische vaardigheden nodig voor een goede communicatie bemoeilijkt of voor sommigen onmogelijk.

Het vorige toestel werkte op basis van het bestuderen van een paar honderd breincellen en het maken van een schatting van hun motorische bevelen, maar omdat sommige cellen beschadigd zijn, reageerden ze te snel of te traag, wat uiteindelijk leidde tot een verminderde nauwkeurigheid bij het typen op het virtueel toetsenbord. Shenoy en haar team pakten dit feilen aan door een nieuwe techniek te ontwikkelen waarmee ze in enkele milliseconden tientallen correctieve aanpassingen konden doen. Iemand met verlamming of ALS zal in staat zijn om de cursor te controleren met hun hersencellen om zo een toets op het toetsenbord te selecteren met de nauwkeurigheid van iemand die met één vinger typt.

Eén op 50 is verlamd, zo’n zes miljoen in totaal in de Verenigde Staten. Volgens Paralysis Resource Center van de Reeve Foundation zijn de meeste ruggengraatletsels of oorzaken van verlamming te wijten aan beroertes of ongevallen met gemotoriseerde voertuigen.

Elke dag wordt bij ongeveer 15 Amerikanen de diagnose van ALS gesteld, zo meldt de ALS Association. Aangezien de gemiddelde levensverwachting van een ALS-patiënt twee tot vijf jaar na de diagnose is, zijn er in de Verenigde Staten ruw geschat 30 000 mensen die zich in een fase van de aandoening bevinden.

Miljoenen mensen kunnen baat hebben bij een toestel dat de communicatie met anderen bevordert. De laatste jaren was het uitvinden van een gedachtengestuurde prothese een ambitieus doel voor onderzoekers die motorische functies konden herstellen, al dan niet met succes. De recentere toestellen kunnen bepaalde regio’s van het brein activeren, met inbegrip van de verstoorde verbindingen, en kunnen hun berichten doorseinen naar het virtuele toetsenbord.

Toch vergt de beschikbare technologie een minutieus geduld van de gebruiker, waardoor het communicatieproces aanzienlijk wordt vertraagd. Het onderzoeksteam bestudeerde hoe tot 200 hersencellen van apen functioneerden wanneer hun armen, handen and vingers een bepaald object probeerden te grijpen. Eens het team wist hoe de breindynamiek van de apen werkte, creëerden ze een wiskundig algoritme om de elektronische signalen van de hersencellen te meten.

Ze testten hun nieuwe gedachtengestuurde cursor op twee apen, die in staat waren om in 30 seconden en op nauwkeurige wijze 26 slagen te maken met hun gedachten. De gedachtengestuurde cursor was ca. 90 procent zo snel en nauwkeurig als een aap die doelwitten aanslaat met een vinger en dit dankzij het correctieve algoritme. De resultaten van dit onderzoek met dieren waren zo succesvol dat de Food and Drug Administration de goedkeuring gaf aan het team van Shenoy om hiermee verder te gaan en hun nieuwe benadering te testen op mensen met ruggengraatletsels.

“Dit is een fundamenteel nieuwe benadering die verder kan worden uitgewerkt en geoptimaliseerd en die voor een betere werking kan zorgen bij breingestuurde prothesen en meteen ook voor een grotere klinische uitvoerbaarheid”, zegt Shenoy.

Bron: Shenoy KV, Kao JC, Nuyujukian P, Ryu SI, Churchland MM, en Cunningham JP. Single-trial dynamics of motor cortex and their applications to brain-machine interfaces. Nature Communications. 2015.

Een virtueel toetsenbord gecontroleerd door het brein kan mensen met verlamming of neurologische aandoeningen helpen bij de communicatie. Foto Shutterstock

 

Vertaling: Cathalina Depoorter

Bron: Medical Daily