9 minute read
Feature
Uit het brein bevrijd
Patiënten met een locked-in-syndroom beschikken vaak over goede cognitieve capaciteiten, maar zitten vanwege een verlamming opgesloten in hun brein. Onderzoekers van het Hersencentrum van het UMC Utrecht ontwikkelen brein-computer interfaces waarmee deze mensen weer kunnen communiceren.
Door Jolein de Rooij Beeld: Bram Belloni
De grote, onlangs overleden natuurkundige Stephen Hawking was tevens de beroemdste ALS-patiënt ter wereld. Aan het einde van zijn leven gebruikte de ontdekker van de Hawkingstraling zijn wangspieren om zinnen, woorden en letters te selecteren en deze door een spraakcomputer te laten uitspreken. Hawking liep echter groot risico om uiteindelijk ‘volledig locked-in’ te raken. In anticipatie op dit lot werkte hij begin deze eeuw samen met onderzoekers van Intel aan een systeem dat de hersenactiviteitspatronen achter gezichtsuitdrukkingen vertaalt in acties. Dit systeem zou nooit van de grond komen.
Hawking zal daarom met grote interesse kennis hebben genomen van de prestaties van een onderzoeksteam van het UMC Utrecht. In 2016 haalde dit team onder leiding van hoogleraar Nick Ramsey het wereldnieuws met een systeem dat patiënten met locked-in-syndroom (LIS) dag en nacht zelfstandig thuis kunnen gebruiken om een verzorger op te roepen en te communiceren. Een 58-jarige ALS-patiënte leerde met het systeem ‘hersenkliks’ te maken, waarmee ze letters kan selecteren op een scherm dat aan haar elektrische rolstoel is vastgemaakt. Dat doet ze door te proberen met haar duim de top van haar ringvinger aan te raken. Ook al resulteert dat niet in een echte handbeweging, het systeem vangt het motorische signaal op en genereert vervolgens een klik op het scherm. ‘Het mooiste is dat ik weer naar buiten kan en dat ik kan communiceren,’ zei deze eerste gebruiker in 2016 tegen New Scientist.
Geen toeters en bellen Het team werkt sindsdien volop aan nieuwe en verbeterde methoden om hersenactiviteit te vertalen in allerlei nuttige acties voor mensen die de controle over hun spieren zijn kwijtgeraakt. Patiënten met een lockedin-syndroom hebben een verlamming die zo ernstig is dat ze zich vrijwel niet meer kunnen bewegen. Praten is onmogelijk geworden. ‘Veel mensen denken dat het leven met zo’n ernstige beperking niet de moeite waard is,’ zegt onderzoeker
Mariska van Steensel. ‘Frans en Zweeds onderzoek heeft echter aangetoond dat de kwaliteit van leven van deze mensen vaak verbazingwekkend hoog is. Het vermogen tot communiceren is daarbij wel heel belangrijk.’
BCI’s vormen een mogelijke weg daartoe. Een BCI is een apparaat dat hersensignalen direct omzet in een actie. In de BCI die het team van Ramsey ontwikkelde, zijn de elektroden rechtstreeks op de hersenen geplaatst. Dat gebeurt via enkele gaatjes in de schedel. Zo zijn de kwaliteit van het hersensignaal en de betrouwbaarheid van het systeem het hoogst. Twee stripjes met vier elektroden sturen signalen naar een versterker die onder de huid van de borstkas is ingebracht en die de signalen draadloos doorstuurt naar een computer.
‘De onderzoeksgroep van Ramsey behoort tot de wereldwijde pioniers op BCI-gebied,’ zegt Femke Nijboer, universitair hoofddocent in de gezondheids-, medische en neuropsychologie aan de Universiteit Leiden. ‘De groep combineert heel fundamenteel onderzoek met heel praktisch onderzoek en is methodologisch sterk. Het mooie aan het BCI-systeem dat ze ontwikkeld hebben, is dat de patiënte uit het eerste experiment in 2016 het systeem tot op de dag van vandaag gebruikt. Het voldoet dan ook aan de belangrijkste eisen die gebruikers stellen aan dit soort systemen: geen draden, geen toeters en bellen, maar wel heel praktisch in gebruik.’
De ALS-patiënte roept haar verzorger met het BCI-systeem, communiceert ermee en kan het apparaat ook gebruiken om een ander kanaal op haar televisie te kiezen. Dit is allemaal mogelijk doordat ze na een intensieve trainingsperiode erin geslaagd is met gedachtekracht een ‘hersenklik’ te produceren die in vrijwel 90 procent van de gevallen betrouwbaar is. Van Steensel: ‘Momenteel zit ze ongeveer op drie letters per minuut.’ Inmiddels oefent ook een tweede persoon met het systeem.
fMRI als voorspeller Het succes van het Utrechtse onderzoeksteam is het resultaat van ruim een decennium lang onderzoek naar human brain mapping. Ramsey: ‘Hersenfuncties zijn vrij ruimtelijk op de hersenen georganiseerd. Verschillende gebiedjes doen verschillende dingen.’ Zo hebben afzonderlijke lichaamsdelen in de hersenen een eigen ‘controlecentrum’ dat verantwoordelijk is voor het aansturen en voelen van beweging.
Om posities op het hersenoppervlak te vinden die speciaal geschikt zijn voor BCI, moesten veel verschillende hersengebieden worden onderzocht en had het team behoefte aan een reguliere stroom vrijwilligers. Die vonden ze dankzij de medewerking van epilepsiepatiënten die in het UMC Utrecht voor diagnostische doeleinden tijdelijk elektrodes geïmplanteerd kregen onder hun schedel, rechtstreeks op de hersenen. ‘Jarenlang hebben we epilepsiepatiënten gevraagd om, voordat ze hun implantaten kregen, in de MRI-scanner te gaan liggen,’ zegt Van Steensel. ‘We vroegen hen vervolgens een taak uit te voeren, zoals het maken van een bepaalde handbeweging.’ Met een speciale techniek, functionele MRI (fMRI), werd hun hersenactiviteit zichtbaar gemaakt in een driedimensionaal beeld. ‘Je ziet dan een bepaald plekje aan de oppervlakte van de hersenen oplichten.’
Wanneer de diagnostische meet-elektroden geplaatst waren, vroeg het team de proefpersonen om de taak te herhalen. ‘Zo testten we of fMRI een betrouwbare techniek is om te voorspellen op welke plaats de sterkste veranderingen in het elektrisch hersensignaal optreden bij het uitvoeren van een bepaalde taak. Dat bleek inderdaad het geval. Ook vroegen we proefpersonen om een soort spel te doen, waarbij ze deze hersensignalen gebruikten om een balletje te laten bewegen op een computerscherm. Op die manier konden we onderzoeken in hoeverre patiënten controle hadden over het signaal dat ze konden versturen vanaf een bepaald hersengebied.’
Slimme signaalverwerking Om de eerste thuis-BCI ter wereld te ontwikkelen maakte het team een aantal slimme keuzes. Zo concentreerde het team zich op een aantal hersengebieden aan de buitenkant van het brein waarvan de activiteit relatief gemakkelijk te interpreteren is. Dat geldt bijvoorbeeld voor het handgebied.
Het team zocht daarnaast naar hersenfuncties die onder controle staan van onze wil. ‘Je wilt uiteindelijk een signaal kunnen detecteren waar je mensen met een ernstige beperking mee kunt helpen,’ zegt Ramsey. ‘Dat betekent dat de patiënt het signaal goed moet kunnen aansturen en dat ruis zoveel mogelijk moet worden onderdrukt.’ Dat signaal moet bovendien uiterst betrouwbaar zijn. Ramsey: ‘Onze grootste uitdaging is het voorkomen van valse positieven. Je wilt ervoor zorgen dat als iemand juist niet wil klikken, het systeem niet onterecht alsnog een klik detecteert.’ Dat blijkt behoorlijk lastig, omdat de hersenen volgens Ramsey ‘heel onstuimig’ zijn. ‘Ze reageren overal op,’ zegt hij. ‘De motorische schors wordt bijvoorbeeld al actief zodra je iemand anders ziet bewegen of zelfs maar aan bewegingen denkt. We hebben daarom aardig wat trucs moeten uithalen om de activiteit die wel expres gegenereerd wordt eruit te filteren.’ Daar komt nog eens bij dat de biofeedback die de gebruiker tijdens de trainingsperiode krijgt, ervoor zorgt dat het signaal verandert. ‘Daardoor moeten we vervolgens ook de signaalverwerking weer bijschaven. De plaatsing van een BCI brengt dus echt een interactie op gang tussen mens en machine.’
Praten op gedachtekracht Inmiddels werkt het team ook aan andere manieren om LIS-patiënten te helpen communiceren. ‘In toekomstige versies van de BCI willen we mensen nog meer controlemogelijkheden bieden’, zegt Van Steensel. ‘Dat willen we doen door optimaal gebruik te maken van de rijke organisatie van de hersenen. Het handgebied is daarvoor bijvoorbeeld heel geschikt, omdat het relatief groot is. Dat maakt het gemakkelijker om
verschillende bewegingen van elkaar te onderscheiden.’ Ramsey: ‘Je kunt het hersenoppervlak beschouwen als een soort scherm waarop je kunt zien wat de persoon op dat moment wil doen.’ Zo slaagde het team van Ramsey er in 2016 in om vier verschillende gebaren uit het Amerikaanse gebarentaalalfabet te onderscheiden van elkaar, dankzij slimme signaalverwerkingsmethoden en fijnmazige breinimplantaten
willen, is de hersensignalen die opgewekt worden door hardop in het hoofd te praten, één op één doorsturen naar een spraakcomputer.’
De potentiële toepassingsmogelijkheden lijken schier eindeloos. Zo slaagde een onderzoeksteam onder leiding van hoogleraar Robert Gaunt van de Universiteit van Pittsburgh er in 2016 in om een 28-jarige man via een BCI niet alleen een robotarm
– opnieuw bij epilepsiepatiënten. Daarnaast richten de onderzoekers zich op de hersengebieden die onder meer de tong, lippen, kaken en de stemband aansturen. In 2017 beschreef Ramsey hoe hij bij drie verschillende epilepsiepatiënten uit hersensignalen de vier verschillende fonemen p, k, a en u kon herkennen. Dit onderzoek zal er op termijn mogelijk toe leiden dat verlamde personen met gedachtekracht via een computer leren spreken. ‘Ik denk dat het nog wel tien jaar duurt voordat we dat zo goed kunnen dat we het zullen proberen toe te passen bij verlamde patiënten,’ zegt Ramsey. ‘Wat we het allerliefste zouden te laten bewegen, maar ook aanraaksensaties te laten ervaren vanaf zijn kunstmatige vingers. Dit soort systemen zijn momenteel nog te zwaar en onpraktisch voor dagelijks gebruik. ‘Maar in de verre toekomst – ik denk dat over dertig jaar nog optimistisch is – wordt het waarschijnlijk mogelijk om bij de zenuwaanhechting van spieren kleine computertjes ter grootte van rijstkorrels te plaatsen waarmee verlamde personen hun eigen spieren opnieuw kunnen aansturen,’ aldus Ramsey.
Maar ook op de kortere termijn ziet Ramsey al veelbelovende toepassingsmogelijkheden voor BCI’s aan de horizon verrijzen. ‘BCI’s kunnen mogelijk in de toekomst ook bij beroertes uitkomst bieden. Meestal vindt een hersenbloeding in slechts één hemisfeer van het brein plaats. Vervolgens verlies je aan één kant van je lichaam bepaalde functies, omdat de banen of de grijze stof in de corresponderende hersenhelft beschadigd zijn. Er zijn echter aanwijzingen dat je aan de gezonde kant van de hersenen veel informatie kunt uitlezen over wat de gewonde kant van de hersenen tevergeefs probeert. De kans bestaat dat mensen in de toekomst na een beroerte dankzij BCI’s een deel van hun verloren functies kunnen terugkrijgen.’
De minste moeite Veel mensen met een locked-in-syndroom schrikken nu nog terug voor de hersenoperatie die nodig is voor de plaatsing van een BCI. ‘Die angst is begrijpelijk,’ zegt Van Steensel. ‘Het enige wat deze mensen immers nog hebben is hun denken. Dan is het een hele grote stap om ook nog eens een hersenoperatie te laten uitvoeren.’ Femke Nijboer: ‘Het reële risico is veel minder groot dan mensen denken. De plaatsing van een BCI is behoorlijk vergelijkbaar met dat van een cochleair implantaat (een systeem dat rechtstreeks met de gehoorzenuw communiceert), dat als veel normaler wordt beschouwd.’
Het onderzoeksteam van Ramsey werkt ondertussen in samenwerking met ingenieurs van het Italiaanse Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) aan fijnmaziger implantaten en kleinere en meer krachtige versterkers. ‘Operaties zullen in de toekomst op alle fronten nóg veel minder invasief worden,’ aldus Ramsey. Zo zijn er plannen om implantaten niet rechtstreeks op de hersenen, maar op het hersenvlies te plaatsen. Dat is het sterke vlies tussen de schedel en het brein in. ‘Dan heb je het dus niet eens meer over een hersenoperatie.’
Tegelijkertijd doet het team voortdurend onderzoek naar de wensen van potentiële gebruikers. Van Steensel: 'Dit soort hulpmiddelen kan alleen een succes worden wanneer de doelgroep er echt wat aan heeft. Daarom is het een intrinsiek onderdeel van al onze onderzoeken om samen met gebruikers te bekijken wat met de minste moeite het beste werkt.’
