Brain-Computer Interface technologie, een introductie

Wat is brain-computer interface technologie? Voorbeelden van methoden en projecten, bijvoorbeeld in de gezondheidszorg. In dit artikel lees je wat Brain-Computer Interface technologie is, hoe het werkt, wat toepassingen zijn in de gezondheidszorg en in welke films (de toekomst van) brain-computer interfaces een belangrijke rol spelen.

Dit artikel maakt deel uit van een reeks over Brain-Computer Interfaces. Dit zijn de andere stukken in deze reeks:

• Deze bedrijven (en legers) werken aan brain-computer interfaces.
• Wat is de toekomst en ethiek van brain-computer interfaces?

Wat is een Brain Computer interface?

Wat is een brain computer interface (BCI)? In essentie gaat het om de vertaling van hersensignalen naar instructies om software of hardware te bedienen. In plaats van typen op je toetsenbord, kun je met je gedachten een computer of smartphone bedienen.

De term brain-computer interface klinkt als iets recents. Toch definieerde computerwetenschapper Jacques Vidal in 1973 de term voor het eerst in zijn paper ‘Towards Direct Brain-Computer Communication’ in de Annual Review of Biophysics and Bioengineering.

Brain Computer Interface definitie

Schalk en Allison geven deze definitie van brain computer interfaces (BCI) in hun bijdrage in het boek Neuromodulation:

• BCI is een systeem dat de activiteit van het centrale zenuwstelsel meet en omzet in kunstmatige output dat de natuurlijke output van het zenuwstelsel vervangt, herstelt, aanvult of verbetert, en daardoor de voortdurende interacties tussen het zenuwstelsel en zijn externe of interne omgeving verandert.

Wat mij opvalt aan hun definitie zijn twee dingen:

• Het centrale zenuwstelsel is meer dan alleen de hersenen. Met deze definitie kun je daarom ook signalen bij de uiteinden van ledematen of uit de ruggenwervel aflezen en decoderen;
• Ze benoemen functies waarmee patiënten worden geholpen, maar ook functionaliteiten die gaan om verbeteren.

Over het tweede punt: dit gaat om human augmentation, het inzetten van technologie door gezonde mensen om hun capaciteiten aan te vullen of te verbeteren. In een ander artikel schrijf ik daar meer over.

Brain Machine Interface

De term brain machine interface (BMI) beschrijft hetzelfde principe als BCI. Het gaat om de aansturing van hardware met de hulp van hersensignalen. Denk bijvoorbeeld aan een patiënt die zijn prothese hiermee bedient of een piloot die bepaalde functies in haar vliegtuig uitvoert.

Andere, wat minder gebruikte aanduidingen zijn Neural Control Interface (NCI), Mind Machine Interface (MMI) en Direct Neural Interface (DNI).

Model van communicatie

Je kunt het aansturen van machines, computers en software met hersensignalen in perspectief zien. Neem deze opdeling van de Amerikaanse journalist John Koetsier. Hij maakt een onderscheid in de volgende gradaties met als voorbeeld het aandoen van een lamp.

1. Directe actie: druk op een knop en het licht gaat aan;
2. Indirecte actie: klap in je handen en het licht gaat aan;
3. Fysieke aanwezigheid: een sensor merkt als je in de kamer bent en het licht gaat aan;
4. Digitale mediatie: via een app op je telefoon doe je het licht aan;
5. Gesproken mediatie: bedien via je stem het licht;
6. Brain-machine interface: doe het licht aan door daar aan te denken.

Met dit model kun je nadenken over je interactie met machines. Op welk niveau bedien ik nu mijn licht, mijn computer, smartphone of andere apparaten? Wat levert het mij op als ik mijn communicatie een niveau opschuif? Is het altijd beter om op een hoger niveau te communiceren met technologie?

Hoe werkt een brain-computer interface?

Technologieën

Er zijn verschillende technieken om de signalen van of uit het brein op te pikken:

• Niet-invasief. Aan de buitenkant van het brein met sensoren. Dit kan door elektro-encefalografie (EEG) of magneto-encefalografie (MEG).
• Semi-invasief. De sensoren liggen onder de schedel en bovenop de hersenen. De gebruikte methode is elektrocorticografie (ECoG).
• Invasief. De sensoren zitten in het brein, bijvoorbeeld zoals bij de elektroden van Neuralink.

Andere niet-invasieve manieren om signalen uit het brein op te pikken zijn Functionele Magnetische Resonantie Imaging (fMRI), Positronemissietomografie (PET) of nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS).

Waarom meestal EEG?

Vanwege de lagere kosten, het lagere risico (vergeleken met invasieve methoden) en de omvang van de apparatuur (vergeleken met FMRI, PET of fNIRS), maken de meeste fabrikanten van commerciële draagbare BCI-apparaten gebruik van EEG.

Op de website van Neurotech.edu staat deze grafiek over de kwaliteit en tijdsduur van de verschillende methoden:

Wat zijn voorbeelden van Brain-Computer Interfaces in de gezondheidszorg?

BCI gezondheidszorg

Brain computer interfaces worden al langer ingezet in de gezondheidszorg. Een overzicht van Donoghue in het boek Neuromodulation:

1. Patiënten met een verlamming communiceren met zorgverleners of hun verwanten;
2. Patiënten met tetraplegie kunnen bewegen met de hulp van een prothese of exoskelet, als vervanging van de armen en handen;
3. Patiënten helpen bewegen met de hulp van ondersteuning of een exoskelet, als vervanging van de benen;
4. Het herstellen van de aansturing van armen of benen bij patiënten (vaak in combinatie met Functionele Electrische Stimulatie, FES).

Voorbeelden van patiënten

BCI kan de kwaliteit van leven van patiënten radicaal verbeteren. Dit zijn een paar bekende voorbeelden en projecten:

De Amerikaanse Jan Sheuermann is verlamd. Door een hersenaandoening is ze niet in staat om haar benen en armen te bewegen. In 2012 zetten onderzoekers van de University van Pittsburg (Verenigde Staten) een aantal elektroden in haar hoofd waarmee ze een robotarm bedient. In 2015 kwam ze nogmaals in het nieuws: ze was in staat om een F-35 Joint Strike Fighter te besturen. In een computerspel, dat wel.

De Amerikaan Nathan Copeland was in 2015 de eerste patiënt die met zijn armprothese met zijn gedachten kon aansturen. Chirurgen plaatsten kleine elektroden in de hersengebieden die zijn pols en vingers aansturen. Een grote doorbraak kwam in 2021: wetenschappers zijn in staat om signalen terug te sturen, waardoor Copeland de tast en grip van de prothese kan voelen. Het voordeel is dat hij daarmee ook sneller objecten kan vastpakken en verplaatsen (dit merk je zelf ook wel, dat je vingers en handen zich snel aanpassen aan de vorm, structuur en gewicht van iets wat je vastpakt).

De Nederlandse Hanneke de Bruijne heeft ALS. In 2016 had zij de wereldprimeur door het werk van professor Nick Ramsey en zijn collega’s bij Utrecht Neuroprothese. Als eerste ter wereld kon ze in haar eigen huis een spraakcomputer bedienen met haar brein. Nick heb ik zelf bij een aantal bijeenkomsten ontmoet, bijvoorbeeld in een webinar voor de KNAW en bij een panelgesprek tijdens de Utrecht Science Week. Zijn groep in Utrecht doet baanbrekend werk op dit vlak. Het is leuk om hem enthousiast te horen vertellen over hun onderzoeksprojecten.

Een opmerkelijk project: in 2019 toonden wetenschappers van Harvard Medical School (VS), Boston University (VS) en Korea University (Zuid-Korea) dat mensen met hun hersensignalen ratten door een doolhof konden leiden.

Robert Chmielewski is grotendeels verlamd. In november 2020 lukte het hem om zichzelf een stukje taart te geven door met zijn BCI twee protheses aan te sturen. Tijdens een tien uur durende operatie plaatsten chirurgen elektroden aan beide kanten zijn hersenen. Dit was de eerste keer dat een patiënt twee verschillende protheses kon aansturen.

In 2021 publiceerden onderzoekers in Nature dat een patiënt met een dwarslaesie in staat was om 90 tekens per minuut te typen. Bijzonder: hij deed dit door te denken aan het schrijven van de woorden. Een geïmplanteerde chip pikte de signalen op en een algoritme analyseerde de data en converteerde dat naar tekens.

Ken jij nog een noemenswaardig project als het gaat om brain-computer interfaces in de gezondheidszorg? Laat een reactie achter onder dit artikel en dan vul ik deze lijst aan!

Op welke manier komt deze technologie naar voeren in populaire media, zoals films?

Films

Brain-computer interfaces komen in een aantal films voor. Dit zijn drie films die ik heb gezien en die mij wel aanspraken:

• Johnny Mnomic (1995)
• Upgrade (2018)
• Reminiscence (2021)

Johnny Mnomic

Keanu Reeves speelde een aantal jaren voor zijn grote doorbraak in The Matrix in de film Johnny Mnemonic (1995). Het is typische cyberpunk uit de jaren negentig, gebaseerd op een boek van William Gibson. Hoofdrolspeler Johnny smokkelt informatie via zijn brein, maar de Japanse maffia zit achter hem aan.

Upgrade

Hoofdrolspeler Grey (acteur Logal Marshall-Green) is in Upgrade (2018) een technofoob in een geavanceerde technologische wereld. Door een ongeluk in een zelfrijdende auto krijgt hij een dwarslaesie. Met een experimentele chip in zijn ruggenmerg kan hij weer lopen en nog veel meer. Halverwege de film ontstaat wel de vraag in welke mate hij nog zichzelf is met zijn implantaat.

Reminiscence

Reminiscence is een matig ontvangen film uit 2020 met Hugh Jackman en Rebecca Ferguson. Nick Bannister (gespeeld door Jackman) begeleidt klanten die hun favoriete momenten willen herbeleven. Hiervoor zetten ze een hoofdband op die hun herinneringen lokaliseert. Ondanks de lauwe ontvangst vond ik de film best aardig. Zo laat de regisseur de overstroomde steden Miami en New Orleans prachtig in beeld zien. Ook sterk zijn de vragen die de film opwerpt. Zou je bijvoorbeeld voor altijd je favoriete herinneringen willen herbeleven?

Dank voor het lezen! Heb je nog een vraag of een opmerking? Laat dan een reactie achter!