- Hoe werken neurale implantaten?
- Het behandelen van aandoeningen in de hersenen
- High-resolution gezichtsvermogen bij blinde apen
- Nervus vagus-stimulatie voor chronische aandoeningen
- Protheses aansturen met je gedachten
- Typen met gedachtenkracht
- BCI-implantaten kunnen fysieke kracht en cognitief vermogen verbeteren
- Niet-invasieve EEG-technologie verbetert slaap en concentratie
- Het is mogelijk, maar is het ook verstandig?
De snelheid van nieuwe technologische ontwikkelingen is de afgelopen jaren bijna exponentieel toegenomen en vooral in de neurotechnologie is enorme vooruitgang geboekt. Neurotechnologie omvat het gebruik van hersenchips, neurale implantaten en hersen-computerinterfacetechnologie. Neurotechnologie wordt al gebruikt om prothesen met je gedachten te kunnen besturen, cognitieve vaardigheden te verbeteren en neurologische stoornissen te behandelen. Het is een fascinerend vakgebied, waarin de menselijke hersenen direct in verbinding staan met apparaten, zoals computers, elektroden of slimme prothesen. Het doel ervan is om de hersenactiviteit met optische of elektrische of stimuli te manipuleren, of om signalen van de hersenen vast te leggen en deze in commando’s om te zetten. Omdat het enorme potentieel van hersen-computersystemen om levens te verbeteren steeds duidelijker zichtbaar wordt, is de verwachting dat we ze in de toekomst steeds vaker zullen tegenkomen.
Hoe werken neurale implantaten?
Een hersen- of neuraal implantaat is een technologisch systeem dat communicatie tussen de hersenen en elektronische apparaten mogelijk maakt. Hersenimplantaten worden via een operatie in de hersenen geplaatst en kunnen worden gebruikt om hersenactiviteit te monitoren of delen van de hersenen te stimuleren. Ze versturen elektrische signalen in specifieke patronen, een beetje als morsecode, waardoor de hersenactiviteit kan worden geregistreerd, gewijzigd, of vertaald – bijvoorbeeld om een robotarm of een computercursor te manipuleren. Onze hersenfuncties regelen processen als denken, horen, bewegen, zien en voelen, maar ook vele onwillekeurige processen, zoals de immuun-, ademhalings-, ontstekings- en cardiovasculaire systemen van het lichaam. Hersenimplantaten zijn enorm waardevolle en krachtige medische tools waarmee wetenschappers het zenuwstelsel als het ware kunnen hacken. Bij epilepsie kunnen hersenchips neurologen bijvoorbeeld helpen bepalen in welk deel van de hersen de aanvallen zich voordoen. Vervolgens kunnen deze chips elektrische stimulatie of andere interventies starten, waarmee de voortgang van de aanval stopgezet kan worden. Hersenimplantaten kunnen ook helpen bij het creëren van nieuwe sensorische paden waarmee verlamde mensen robotprotheses kunnen besturen, of om bij blinden of slechtzienden een vorm van gezichtsvermogen mogelijk te maken.
Het behandelen van aandoeningen in de hersenen
Ongeveer 150.000 mensen wereldwijd hebben al een implantaat voor deep brain stimulation (DBS) gekregen. DBS is een van de meer gevestigde medische toepassingen van hersenimplantaten. Bij DBS worden elektroden diep in bepaalde delen van de hersenen geïmplanteerd, waar ze elektrische signalen produceren om abnormale activiteit te reguleren. De elektroden worden aangestuurd door een apparaat, de interne pulsgenerator (IPG), dat onder de huid in de borst van de patiënt wordt geplaatst. Daar vandaan loopt een draad onder de huid via de schouder en de nek naar het hoofd, waarmee het apparaat op de elektroden in de hersenen aangesloten wordt. DBS wordt al met succes gebruikt om de symptomen van aandoeningen als epilepsie, Parkinson, obsessief-compulsieve stoornissen, tinnitus, neuropathische pijn en dystonie te behandelen. In de toekomst zou diepe hersenstimulatie ook gebruikt kunnen worden bij de ziekte van Huntington, het syndroom van Gilles de la Tourette en chorea, en voor de behandeling van chronische pijn, clusterhoofdpijn en stemmingsstoornissen als depressie.
High-resolution gezichtsvermogen bij blinde apen
Het genereren van kunstmatige beelden door de hersenen via een implantaat te stimuleren dateert uit de jaren zeventig, maar bestaande systemen kunnen maar een klein aantal kunstmatige ‘pixels’ tegelijk genereren. Om het gezichtsvermogen bij blinden en slechtzienden uiteindelijk te kunnen herstellen, ontwikkelden onderzoekers van het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen (NIN) onder leiding van dr. Pieter Roelfsema onlangs high-resolution hersenchips. Deze werden in de hersenen van twee makaken geïmplanteerd, waarna de dieren vormen konden ‘zien’ zonder hun ogen te gebruiken.
Om hersenchips te ontwikkelen die duurzamer en stabieler zijn dan eerdere implantaten, gebruikte het team nieuwe implantaatproductie- en implantatietechnologieën, evenals geavanceerde microchipproductie, materiaaltechnologie en micro-elektronica. De high-resolution neuroprothesen, die meer dan 1.000 elektroden bevatten, werden op de visuele cortex van de apen geplaatst, waar informatie van het netvlies wordt verwerkt. Het doel was om te testen of het mogelijk was om met het stimuleren van de hersenen beelden te creëren. De onderzoekers ontdekten dat de apen inderdaad bewegende stippen, lijnen en letters konden herkennen.
“Ons implantaat staat rechtstreeks in verbinding met de hersenen, waarbij eerdere stadia van visuele verwerking via het oog of de oogzenuw worden omzeild. Daarom zou dergelijke technologie in de toekomst kunnen worden gebruikt voor het herstel van slechtziendheid bij mensen die een verwonding of degeneratie van het netvlies, het oog of de oogzenuw hebben opgelopen, maar van wie de visuele cortex intact is gebleven”, vertelt Xing Chen, postdoctoraal onderzoeker in het team van dr. Roelfsema.
Nervus vagus-stimulatie voor chronische aandoeningen
De nervus vagus verbindt veel belangrijke organen met de hersenstam. Nervus vagus-stimulatie door middel van neurale implantaten of ‘hersenpacemakers’ is een vorm van neuromodulatie die wordt gebruikt bij de behandeling van geneesmiddelresistente epilepsie, migraine en depressie. Hiervoor wordt een stimulator onder de huid in de borst geïmplanteerd, van waaruit een draad om de nervus vagus in de nek wordt gewikkeld om elektrische pulsen naar de hersenen te sturen. Als de patiënt merkt dat hij of zij een epileptische aanval gaat krijgen, kan hij of zij een magneet over het apparaat in de borststreek swipen om een extra stimulatiestoot naar de hersenen te sturen, waarmee een verdere ontwikkeling van de aanval voorkomen kan worden. Deze technologie wordt momenteel ook onderzocht als behandeling voor beroertes, hartfalen, reumatoïde artritis, de ziekte van Crohn, diabetes type 2, de ziekte van Alzheimer, obesitas, sepsis, longbeschadiging, auto-immuunaandoeningen en chronische ontstekingsziekten. Het gebruik van nervus vagus-stimulatie biedt belangrijke nieuwe mogelijkheden voor minimaal invasieve therapeutische interventie bij zowel volwassenen als pediatrische patiënten.
Protheses aansturen met je gedachten
Hoewel het aansturen van machines met je gedachten nog sciencefiction lijkt, is dit met brain-computer interfaces (BCI’s) wel al mogelijk. Sterker nog, toepassingen van deze technologie zullen we in het dagelijks leven steeds vaker tegenkomen. BCI-technologie stelt een menselijk brein in staat signalen uit te wisselen met een extern apparaat, waardoor we machines met onze gedachten kunnen besturen. Er zijn al verschillende geamputeerden die BCI’s gebruiken om hun robotprotheses aan te sturen. En door de zenuwen in de ledemaat boven de amputatie te stimuleren kun je met sommige van deze hightech protheses zelfs sensorische feedback ervaren.
“De hersenen van mensen die bijvoorbeeld verlamd zijn kunnen wel nog steeds de signalen genereren die verantwoordelijk zijn voor beweging, maar deze signalen kunnen niet voorbij de amputatie komen. We proberen nu te bepalen hoe we de signalen van de hersenen kunnen gebruiken om een prothetische robotarm en hand te besturen. En naast de mogelijkheid om de controle over de arm en hand terug te krijgen, willen we het voor geamputeerden bovendien mogelijk maken om ook daadwerkelijk te ‘voelen’ wanneer de prothese een object aanraakt”, zegt dr. John Downey van de universiteit van Chicago.
Typen met gedachtenkracht
Dankzij een hersenimplantaat kunnen mensen met een quadriplegie – waarbij alle vier de ledematen verlamd zijn – in de toekomst met hun gedachten computers bedienen en zinnen typen. Een 65-jarige man met de bijnaam T5, die in 2007 na een dwarslaesie vanaf de nek verlamd raakte, deed mee aan een onderzoek door Frank Willett, onderzoekswetenschapper aan Stanford University en hoofdauteur van het onderzoek dat in het tijdschrift Nature gepubliceerd werd. Tijdens het onderzoek werden twee kleine BCI’s geïmplanteerd in de hersenen van T5 om de activiteit van neuronen te detecteren in de motorcortex die verantwoordelijk is voor handbewegingen.
Terwijl T5 zich voorstelde dat hij individuele letters met de hand schreef, werden de bijbehorende hersensignalen naar een computer verzonden, waar een AI-algoritme ze in getypte tekst omzette en op het computerscherm weergaf. De resultaten van dit onderzoek zouden in de toekomst kunnen worden gebruikt om mensen met motorneuronaandoeningen, ruggenmergletsels of na een beroerte te helpen. “Dit is een proof-of-conceptdemo om te laten zien dat we mensen die ernstig verlamd zijn door middel van een ‘schrijf-BCI’ toch communicatiemogelijkheden kunnen bieden. Ik heb goede hoop dat de technologie binnen enkele jaren ingezet kan worden voor algemeen gebruik”, aldus Willet.
BCI-implantaten kunnen fysieke kracht en cognitief vermogen verbeteren
De piepkleine BCI-implantaten die momenteel in ontwikkeling zijn kunnen tot een miljoen neuronen tegelijk manipuleren. Sommige van deze implanteerbare sensoren zijn zo klein als een zandkorrel en worden ook wel ‘neural dust’ of neuraal stof genoemd. Veel BCI-technologieën bevinden zich nog in de beginfase van ontwikkeling en worden gefinancierd door organisaties als DARPA. Sommige bedrijven hebben inmiddels implantaten gelanceerd die de neurale communicatie tussen de hersenen en de ogen kunnen corrigeren. Deze piepkleine BCI’s kunnen in de toekomst mogelijk ook worden gebruikt om de cognitieve functies en fysieke kracht van bijvoorbeeld militairen te verbeteren.
Een bedrijf dat een voortrekkersrol heeft gespeeld bij de ontwikkeling van BCI’s is Neuralink van Elon Musk. Het bedrijf heeft een apparaat ontwikkeld dat bestaat uit een minuscule sonde die meer dan 3.000 elektroden bevat. Deze elektroden zijn verbonden met draden die dunner zijn dan een mensenhaar en kunnen de activiteit van 1.000 hersenneuronen monitoren en vervolgens decoderen. Het kortetermijndoel van de BCI van Neuralink is de behandeling van motorische disfunctie of geheugenverlies, zoals bij aandoeningen als Parkinson, dementie en ruggenmergletsels. Maar Neuralink test zijn BCI ook voor niet-medische toepassingen.
Het bedrijf haalde onlangs de krantenkoppen toen het aankondigde dat een aap met de Neuralink-hersenchip erin was geslaagd de videogame Pong met zijn gedachten te spelen. De aap was getraind om een joystick te bedienen maar toen de controller losgekoppeld werd slaagde de aap er toch in om de ‘pingpongbat’ in het spel te bewegen door aan de handbewegingen te denken. Op een dag kunnen we deze technologie wellicht gebruiken voor dagelijkse handelingen. Denk aan het bedienen van je mobiel en het openen van deuren. Maar deze tech zal ook verbeterde mentale vermogens mogelijk maken en het uploaden van mentale functies naar de cloud. Bovendien behoren telepathische gesprekken, het terugspoelen en afspelen van dromen en herinneringen, mentaal naar muziek luisteren en – net als de aap – videogames spelen met je gedachten binnenkort tot de mogelijkheden.
Niet-invasieve EEG-technologie verbetert slaap en concentratie
Hersen-computerinterfaces bieden weliswaar talloze levensverbeterende mogelijkheden, maar daar zijn wel invasieve ingrepen voor nodig. Dit vereist een aanzienlijke hoeveelheid chirurgische en medische expertise en brengt daarnaast verschillende serieuze risico’s met zich mee. De afgelopen jaren zijn ook minder invasieve neurale interfacetechnologieën aanzienlijk in populariteit toegenomen. Deze zijn gebaseerd op EEG-neurofeedback, maken gebruik van EEG-headsets met elektroden en kunnen de hersenactiviteit stimuleren, trainen of reguleren. Deze non-invasieve interfacetechnologieën worden voornamelijk gebruikt om je slaap te verbeteren en je concentratie te optimaliseren.
UrgoNight zorgt voor een betere nachtrust
Steeds meer bedrijven maken gebruik van neurofeedbacktechnologie om het slapende brein te monitoren en inzichten te verzamelen waarmee ze mensen kunnen helpen beter te slapen. Met neurofeedbacktechnologie, wat al veel gebruikt wordt in slaapcentra, kun je nachtelijk ontwaken met wel 53 procent verminderen en de tijd die nodig is om in slaap te vallen met 40 procent verkorten. De Franse startup UrgoTech, onderdeel van de Urgo Group, een grote organisatie die al sinds 1882 bestaat en actief is in verschillende zorgsectoren, heeft nu een headset met neurofeedbacktechnologie voor thuisgebruik ontwikkeld. Het UrgoNight-systeem bestaat uit een EEG-headset met vier elektroden en een mobiele app. Het systeem maakt gebruik van verschillende neurofeedbackspellen en is ontworpen om drie dagen per week 15 tot 20 minuten te worden gebruikt. De spellen kunnen worden bestuurd via sensomotorische ritme (SMR) hersengolven die worden geassocieerd met slaap. De headset traint en versterkt deze hersengolven, wat uiteindelijk helpt om slaapproblemen te verminderen. De app bevat ook vragenlijsten over slaapkwaliteit en geeft advies over het verbeteren van de slaap, op basis van cognitieve gedragstherapie die toegespitst is op slapeloosheidsproblematiek.
Neurosity Crown zorgt voor een betere focus
Neurosity, een bedrijf dat samenwerkt met neurowetenschappers van de University of California Berkeley, heeft de Crown geïntroduceerd, een wearable die gebruikmaakt van EEG-technologie, AI en machine learning om je concentratie en focus te verbeteren. De Crown headset, waarin een lichtgewicht computer geïntegreerd is, zit op je kruin. De technologie in de headset concentreert zich op de frontale hersenkwab, waar het vermogen om te focussen wordt gereguleerd. Het systeem registreert hersengolven om te detecteren wanneer je ‘in the flow’ bent en wanneer je aandacht verslapt. Met deze informatie kan het systeem je helpen beter te focussen. Het apparaat is verbonden met de bijbehorende Neurosity Shift-app, die is gekoppeld aan je Spotify-account. De app regelt dat je focus gedurende een bepaalde tijd gemonitord wordt en geeft je tips om een staat van optimale efficiëntie te bereiken. De headset bestudeert met welke muziek je het best kunt focussen en speelt vervolgens productiviteitsverhogende muziek af. Je kunt de Crown zo instellen dat je notificaties automatisch op stil worden gezet, zodat je ongestoord kunt werken. “Neurosity heeft een nieuwe categorie draagbare EEG-focusapparaten ontwikkeld waarmee je controle over je focus kunt krijgen, waar je ook bent. De Crown geeft gebruikers inzicht in hoe ze zich beter kunnen concentreren en hoe ze de focus kunnen vasthouden”, vertelt Alex Castillo, medeoprichter van Neurosity.
Met NextMind kun je dingen met gedachtenkracht bewegen
NextMind, een snelgroeiende startup op het gebied van neurotechnologie en winnaar van de CES 2020 Best of Innovation Award, behoort tot een groeiend aantal bedrijven die non-invasieve neurale interfaces ontwikkelen die gebruikmaken van machine learning algoritmen. Met de NextMind brain-sensing wearable kun je digitale technologie met ‘directe hersencommando’s’ besturen, wat betekent dat je geen handmatige controllers of gamepads meer nodig hebt. De baanbrekende technologie, die gebaseerd is op wetenschappelijk onderzoek, is ontwikkeld voor eenvoudig, intuïtief gebruik. De ontwikkelaarskit van NextMind bevat een kamvormige sensor die op de achterkant van je hoofd wordt gedragen, waar de signalen van de visuele cortex in digitale commando’s worden omgezet.
Het systeem geeft aan welke digitale objecten ‘mind-enabled’ zijn. Door je actief op deze objecten te concentreren kun je ze in real time met je gedachten besturen, waardoor een diepere, meer meeslepende ervaring ontstaat tussen mens en computer, AR/VR-headsets en verschillende andere apparaten. “We willen NextMind’s DevKit beschikbaar stellen aan zoveel mogelijk game- en AR/VR-applicatieontwikkelaars. We zijn ervan overtuigd dat deze technologie een echte gamechanger wordt omdat het volledig meeslepende ervaringen mogelijk maakt. Ons team kijkt ernaar uit om met de ontwikkelingsgemeenschap samen te werken en te ontdekken hoe ze NextMind kunnen gebruiken om ‘telekinetische krachten’ mogelijk te maken en verbluffende apps te creëren”, vertelt Sid Kouider, oprichter en CEO van NextMind.
Het is mogelijk, maar is het ook verstandig?
Brain-computer interfaces en mind control worden big business. In de afgelopen jaren zijn er miljarden dollars in deze en aanverwante technologieën gepompt. Denk aan Neuralink van Elon Musk en de neurale interface-startup CTRL-Labs van Facebook. Sterker nog, volgens Grand View Research werd de wereldwijde markt voor hersenimplantaten geschat op $4,6 miljard en deze zal tussen 2021 en 2028 naar verwachting groeien met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 9,1 procent.
Maar wat vindt het publiek van het idee van hersenimplantaten en de mogelijke gevolgen? Uit onderzoek van Pew Research Centre blijkt dat de meeste ondervraagde Amerikanen die deelnamen aan het onderzoek (64 procent) niet erg enthousiast zijn over hersenchips die je cognitieve vaardigheden of concentratie verbeteren. Ongeveer 28 procent van de ondervraagden zegt erg bezorgd te zijn over dit vooruitzicht en 41 procent maakt zich hier enigszins zorgen over. 25 procent van de ondervraagden is enigszins enthousiast over dit soort technologie en slechts 9 procent is er zeer enthousiast over.
Ja, de ontwikkelingen in implanteerbare hersentechnologie zijn opwindend en veelbelovend, vooral op het gebied van levensverbeterende toepassingen. Maar we moeten ook voorzichtig zijn. We zijn in het stadium beland waarin we ook de nadelen van deze technologie zorgvuldig in overweging moeten nemen. Hoewel ‘mind-machine’-integratie voor medische toepassingen zeker nuttig kan zijn en we er over het algemeen van uitgaan dat technologieën met de juiste bedoelingen worden ontwikkeld, moeten we ook rekening houden met het mogelijke verkeerde gebruik ervan. “Een betere kwaliteit van leven voor mensen die ondersteuning nodig hebben moet altijd ons uiteindelijke doel zijn. En we zullen ervoor moeten waken dat we ons niet alleen door financieel gewin laten leiden, vooral als het gaat om commerciële toepassingen van deze technologie”, vindt futurist en thought leader Richard van Hooijdonk. “En naast een groot aantal technische en medische obstakels, moeten we kwesties als moraliteit, ethiek en discriminatie zeker ook in overweging nemen. De ‘have-nots’ zullen in de toekomst bijvoorbeeld moeilijk kunnen concurreren met mensen die – dankzij hun hersenimplantaten – een bovenmenselijke intelligentie hebben en machines met hun gedachten kunnen besturen. En natuurlijk moeten we ook zeker rekening houden met veiligheids- en privacyaspecten als we onze hersenen op het internet gaan aansluiten”, besluit Van Hooijdonk.
