Hoe AI en de brain-computerinterface verlamde patiënten helpen

Technologieën die het menselijk brein met computers integreren, zijn ontworpen om gehandicapte personen en patiënten met neurologische aandoeningen te helpen communiceren met de buitenwereld. Sommige bedrijven, zoals Neuralink van Elon Musk, hebben echter openlijk kunstmatige intelligentie om de productiviteit te verhogen. Is dit een realistisch doel?

Spreken zonder hulp van het lichaam

In september 2023 haalde een doorbraak in medisch nieuws de krantenkoppen: twintig jaar na een beroerte kon een verlamde vrouw, dankzij een zogenoemde brain-computerinterface (BCI) en kunstmatige intelligentie (AI) weer praten. Niettemin is het belangrijk op te merken dat ze niet genezen was; wetenschappers hadden een manier gevonden om hersensignalen op te vangen, te interpreteren en over te brengen via een digitale avatar. De resultaten van het onderzoeksproject, uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Francisco, zijn onlangs gepresenteerd in Nature (“A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control”).

Op 29-jarige leeftijd kreeg Ann een beroerte in de hersenstam, waardoor ze niet meer kon praten. Hoewel de conventionele geneeskunde geen hoop bood dat ze haar natuurlijke spraakvermogen zou herwinnen, boden recente ontwikkelingen in de biomedische technologie uitkomst.

Brain-computerinterface

Ann nam graag deel aan een onderzoek waarbij wetenschappers een flexibele matrix van creditcardformaat met 253 elektroden rechtstreeks op haar cortex implanteerden. Dat is precies daar waar de hersenen elektrische signalen genereren en doorgeven die verantwoordelijk zijn voor spraak naar de kaak, gezichtsspieren, strottenhoofd en tong. De signalen die door het implantaat werden opgevangen, werden via een poort op haar hoofd naar een computersysteem overgebracht.

In de beginfase ontwikkelden en trainden wetenschappers algoritmen voor kunstmatige intelligentie om deze hersensignalen te interpreteren. Ann herhaalde woorden uit een woordenboek van 1024 woorden totdat het AI-systeem elektrische signalen accuraat correleerde met woorden, of beter gezegd, fonemen (subeenheden van woorden). Deze aanpak versnelde de spraakvertolking aanzienlijk, waardoor het systeem met de brain-computerinterface 80 woorden per minuut kon herkennen.

Onderzoekers gingen nog een stap verder door Anns eigen stem te repliceren met behulp van een spraaksynthese-algoritme op basis van een stemvoorbeeld dat was opgenomen vóór haar verlamming. Haar avatar sprak niet alleen, maar synchroniseerde ook gezichtsspieren, mond- en lipbewegingen. Toen Ann aan woorden dacht, fungeerde haar avatar als haar persoonlijke vertaler. Dit had een emotioneel diepgaande impact op haar, omdat ze weer kon communiceren.

Hoewel de technologie zich momenteel in de klinische proeffase bevindt, willen onderzoekers in de toekomst hulp bieden aan deze patiënten. De voornaamste uitdaging is het ontwikkelen van draadloze technologie voor het verzenden van hersensignalen naar het IT-systeem om de oplossing gemakkelijker te maken voor patiënten.

Kunnen machines binnenkort gedachten lezen?

De ontwikkeling van de brain-computerinterface (BCI) heeft een lange geschiedenis; de eerste implantatie van elektroden in de hersenen vond plaats in de jaren negentig. Het concept van BCI’s dateert uit de jaren veertig en vijftig, maar er werd pas aanzienlijke vooruitgang geboekt met de komst van kunstmatige-intelligentiesystemen. Met name Stephen Hawking, die in 2018 overleed nadat de diagnose motorneuronziekte was gesteld, communiceerde met behulp van een computer, die zijn wangbewegingen vertaalde in stemuitvoer in plaats van signalen uit de hersenen rechtstreeks te interpreteren.

Het geval van Ann betekent een belangrijke doorbraak, niet alleen vanwege de technologie zelf, maar ook vanwege de snelle vertaling van signalen in spraak. Eerdere oplossingen bereikten een snelheid van ongeveer één woord per 20 seconden, waardoor de communicatiemogelijkheden ernstig werden beperkt.
Wetenschappers blijven voorzichtig met hun enthousiasme, omdat er nog veel uitdagingen moeten worden overwonnen. Elon Musk, de oprichter van Tesla, heeft echter een ander perspectief. Neuralink startte in september van dit jaar de eerste klinische onderzoeken met een hersen-computerinterface bij personen met quadriplegie veroorzaakt door cervicale ruggenmergletsels of amyotrofische laterale sclerose (ALS).
Draadloos communiceren met computers

Hoewel Musk zegt dat het zijn voornaamste doel is om verlamde patiënten te helpen, gaat zijn visie veel verder. Hij stelt zich voor dat ieder individu in de toekomst in staat zal zijn om te communiceren met computers en kunstmatige intelligentie zonder de noodzaak van een toetsenbord, waardoor de cognitieve vaardigheden aanzienlijk zullen toenemen. Daartoe heeft Neuralink een gespecialiseerde chirurgische robot ontwikkeld voor het implanteren van BCI’s in de hersenen. De geplande klinische proef zal de veiligheid en effectiviteit van het implantaat (N1) en de chirurgische robot (R1) beoordelen, evenals hun vermogen om verlamde personen in staat te stellen externe apparaten met hun gedachten te besturen.

Implantaten hebben aanzienlijke beperkingen als gevolg van chirurgische complicaties. Daarom onderzoeken onderzoekers ook draadloze alternatieven. In plaats van implantaten worden methoden als EEG, fMRI (functionele magnetische resonantie beeldvorming) en fNIRS (functionele nabij-infraroodspectroscopie) gebruikt. Vroege experimenten suggereren dat het mogelijk is om gedachten te lezen door op deze manier de hersenactiviteit te meten en te interpreteren met behulp van AI-algoritmen. Niettemin wordt deze technologie geconfronteerd met de beperking dat er grote apparatuur voor beeldvorming van de hersenen nodig is.

AI vergroot de cognitieve capaciteiten

Het afgelopen jaar zijn wetenschappers een ander puzzelstuk tegengekomen die hun zoektocht naar het ontwikkelen van veilige, niet-invasieve en effectieve BCI’s zou kunnen bespoedigen: generatieve kunstmatige intelligentie. Dit type AI kan tekst, muziek en afbeeldingen creëren op basis van eenvoudige beschrijvingen, ook wel prompts genoemd. Hoewel het nog te vroeg is om details te geven, kunnen verlamde individuen mogelijk verschillende taken uitvoeren, zoals het maken van kunst of het schrijven van boeken, simpelweg door AI-tools zoals ChatGPT met hun gedachten te besturen.

Momenteel richten de inspanningen zich vooral op eenvoudigere oplossingen, zoals het aansturen van slimme prothesen, exoskeletten of robots om patiënten te helpen hun onafhankelijkheid te herwinnen, vaak neuroprothesen genoemd. Bovendien zijn oplossingen op basis van neurofeedback veelbelovend voor de behandeling van aandoeningen zoals depressie, ADHD, epilepsie en het personaliseren van de revalidatie voor patiënten met een beroerte.

Brain-computerinterface ontwikkelaars

Neuralink is niet de enige kanshebber in de zoektocht om leiding te geven bij de ontwikkeling van BCI’s. CTRL-Labs, een dochteronderneming van Meta (voorheen Facebook), heeft tot doel toepassingen te creëren in de entertainmentindustrie, waaronder op virtual reality gebaseerde games en het metaverse.

Eén vraag blijft voorlopig onbeantwoord: zijn de commerciële bedrijven die miljarden dollars investeren in BCI-technologie vooral geïnteresseerd in het creëren van een nieuw type mens, geïntegreerd met een computer? Totdat die vraag is opgelost, bieden BCI’s grote hoop voor verlamde patiënten om de gave van natuurlijke communicatie en onafhankelijkheid terug te krijgen.

Vorig jaar werd de mondiale standaardisatiegroep voor de ‘Brain-computerinterface’ opgericht. Doel van die groep is zorgen voor standaardisatie op het gebied van de brain-computerinterface voor informatietechnologie om communicatie en interactie tussen hersenen en computers mogelijk te maken die op verschillende gebieden is toe te passen.

Bron: Arthur Olesh, hoofdredacteur ICT&health International