Een doctoraatsstudent in de biomedische ingenieurstechnieken houdt een hersenmodel vast van een man met amyotrofische laterale sclerose die een brain-computerinterface gebruikt om te spreken. De student heeft functionaliteit toegevoegd aan de brain-computerinterface waardoor de man zijn computer zelfstandig kan gebruiken. Dat opent mogelijkheden voor veelzijdige technologie die verloren functies herstelt bij verlamde mensen.

Voor het eerst heeft een team van ingenieurs, neurowetenschappers en neurochirurgen aan UC Davis en UC Davis Health, in de Verenigde Staten, getoond dat brain-computerinterfaces (BCI’s), die hersensignalen naar spraak vertalen, ook in staat zijn om de cursor van een computer te besturen.

Hun bevindingen, gepubliceerd in deJournal of Neural Engineering en gesteund door financiering van de U.S. National Science Foundation en de U.S. National Institutes of Health, maken de weg vrij voor veelzijdige BCI’s die functies herstellen bij verlamde mensen. Ze herstellen ook een mate van autonomie, iets wat voorheen onmogelijk leek.

“Verdere stappen in multimodale BCI’s zouden het decoderen van gebaren voor allerlei verschillende doeleinden kunnen omvatten. Daardoor kunnen verlamde personen op andere manieren interacties hebben met hun omgeving, niet enkel via spraak,” zegt Tyler Singer-Clark, doctoraatsstudent in de biomedische ingenieurstechnieken en hoofdauteur van het artikel.

Singer-Clark werkt in het UC Davis Neuroprosthetics Lab dat onder leiding staat van neurowetenschapper Sergey Stavisky en neurochirurg David Brandman. Onder leiding van Stavisky en Brandman heeft het laboratorium in het verleden al de meest nauwkeurige spraak-BCI ooit ontworpen. Het project van Singer-Clark bouwt verder op die innovatie.

De norm verbeteren

Hun BCI, geïmplanteerd in de primaire motorische cortex, interpreteert elektrische activiteit die gegenereerd wordt door na te denken en transformeert de activiteit in herkenbare woorden getoond op een computer.

Het team ontdekte iets interessant over hun spraak-BCI: het deel van de hersenen dat het analyseerde voor spraak vertoonde tekenen dat het de besturing van een cursor zou kunnen ondersteunen. Dat is een motorische vaardigheid die meestal geassocieerd wordt met een ander deel van de hersenen.

Op basis van de observaties van de onderzoekers begon Singer-Clark software te coderen voor de besturing van een cursor voor de spraak-BCI.

Omdat er nog geen systeem bestaat voor de besturing van een cursor vanuit de primaire motorische cortex, baseerde Singer-Clark zich op decennia aan eerder onderzoek over de besturing van een cursor vanuit andere delen van de hersenen. Zo kon hij zijn architectuur baseren op bestaande code in spraak-BCI van het laboratorium.

“We moesten de voorbewerking van de neurale gegevens niet opnieuw uitvinden,” zei hij. “De besturing van de cursor heeft dezelfde voorbereidende stappen als de spraak-BCI om neurale kenmerken te verkrijgen die nuttig zullen zijn voor het decoderen van de intenties van de deelnemer.”

Functionaliteit in kaart brengen

Nu de software voor de besturing van de cursor af is, moet Singer-Clark alleen nog de decoderingsarchitectuur individualiseren.

Hij werkt samen met dezelfde man die deelnam aan het eerste spraak-BCI onderzoek dat deel uitmaakte van de klinische studie van BrainGate. De man kan door amyotrofische laterale sclerose (ALS) niet meer bewegen. ALS staat in de Verenigde Staten ook bekend als Lou Gehrig’s Disease. Het is een ziekte die het zenuwstelsel aantast en progressieve verlamming veroorzaakt.

De man moest van Singer-Clark kijken naar een scherm waar een cursor beweegt en doelen selecteren. Terwijl de man nadenkt over de bewegingen van de cursor en ze observeert, observeerde Singer-Clark de neurale activiteit. Hij kon de gegevens, zoals de specifieke neuronen die geactiveerd worden als de man naar links wil bewegen, in kaart brengen in de software voor de besturing van de cursor.

Eenmaal de software voor zijn geïmplanteerde BCI geactiveerd was, had de man nog geen 40 seconden nodig om de besturing van de cursor onder de knie te krijgen. Doordat hij zich inbeeldde dat hij de cursor bewoog, was hij in staat om de cursor op zijn computerscherm effectief te bewegen. Zo kon hij op apps klikken en links openen.

Toch verduidelijkte Singer-Clark dat de BCI signalen van abstracte gedachten niet vertaalt in bewegingen. Het is meer intuïtie.

“Dat is zijn woord ‘intuïtie’,” zegt Singer-Clark. “Ik vraag, ‘Welke motorische beeldvorming gebruik je?’ En dan zegt hij, ‘Intuïtie.’”

“Singer-Clark zijn werk is ongelofelijk belangrijk voor het veld,” zegt Brandman, een van de mededirecteuren van het UC Davis Neuroprosthetics Lab. “Zijn werk heeft onze BrainGate2 deelnemer niet enkel in staat gesteld een computor cursor te gebruiken met zijn gedachten, maar is ook het voorbeeld waar meerdere bedrijven binnen dit domein hun klinische studies naar kunnen ontwerpen.”

Een autonome toekomst

Voor Singer-Clark is de impact van dit project veelzijdig.

Aan de ene kant toont dit project dat complexe, multimodale BCI’s mogelijk zijn.

“Het bevestigt een groeiend standpunt dat verschillende lichaamsdelen, en hun bewegingen, aanwezig zijn in meerdere gebieden van de motorische cortex en niet geïsoleerd zijn in hun eigen gebieden.”

Aan de andere kant is er een heel persoonlijk en krachtig gevolg van dit onderzoek. Een man heeft zijn autonomie terug.

“Er is een man met ALS die zijn computer zelfstandig kan bedienen zonder dat iemand anders hem elke dag urenlang moet helpen. Dat is een groot evenement, iets wat we misschien niet geprobeerd hadden als dat voorafgaande onderzoek niet bestond om ons aan te moedigen het te doen.”

Dat is waar BCI’s, en de ingenieurs, neurowetenschappers en neurochirurgen die technologie verbeteren aan UC Davis, voor vechten: Een toekomst waar verlamde mensen een mate van autonomie kunnen terugkrijgen die voorheen onmogelijk leek. 

Vertaling: Joske Van Peer

Bron: University of California Davis