Een brein-computer interface (BCI) is een apparaat dat de signalen van de hersenen direct kan omzetten in een actie zoals het bedienen van software (bijvoorbeeld een tekstverwerker) of van apparaten (bijvoorbeeld een televisie).
Op deze pagina leggen we uit voor wie een BCI bedoeld is en hoe een BCI werkt. We gaan ook in op verschillende types. We besteden de meeste aandacht aan BCI’s voor ernstig verlamde mensen.Wat is een BCI?
Voor wie is een brein-computer interface bedoeld?
Hoe werkt een brein-computer interface?
BCI voor verlamden, stand van zaken
Wat is een BCI?
Een BCI is een apparaat dat uit verschillende onderdelen bestaat: er zijn sensoren die signalen opvangen (ook wel elektroden genoemd), een versterker die de zwakke signalen versterkt, een computer die de signalen vertaalt naar regelsignalen voor externe apparatuur en de externe apparatuur zelf. De meeste onderdelen kunnen draagbaar gemaakt worden. De externe apparatuur kan bestaan uit hulpmiddelen voor verlamden of een gewone computer voor spelletjes en toegang tot internet. Ook bestaat er speelgoed dat bestuurd kan worden, zoals een kleine helikopter.
Voor wie is een brein-computer interface bedoeld?
BCI’s zijn nog volop in ontwikkeling, met het oog op verschillende toepassingen. Vaak zijn de toepassingen tijdelijk of vrijblijvend, bijvoorbeeld voor mensen tijdens revalidatie of voor gezonde mensen om een extra dimensie aan games te geven. Soms zijn toepassingen bedoeld om een functie die door ziekte of een ongeval verloren gegaan is te vervangen.
Voor vrijblijvende toepassingen zoals voor computergames zijn er al wat BCI’s commercieel verkrijgbaar, maar de nauwkeurigheid van deze systemen is niet optimaal. Dat is voor die toepassing geen probleem. Alle BCI’s voor gamers zijn gebaseerd op elektroden die op het hoofd worden geplaatst, vaak met een helm of een diadeem-achtig apparaat.
Voor medische toepassingen, met name voor mensen met ernstige verlamming of spasticiteit, worden heel hoge eisen gesteld aan de prestaties van een BCI, omdat het systeem gebruikt wordt voor communicatie of apparaatbesturing (bijvoorbeeld een rolstoel). Hier wordt nog volop aan ontwikkeld, niet alleen met elektroden voor op de huid, maar ook met BCI’s die geïmplanteerd moeten worden. Dat laatste is ingegeven door de matige nauwkeurigheid die tot nu toe bereikt is met elektroden op de huid.
Mensen die door verlamming al hun spierfuncties hebben verloren hebben het meest baat bij een BCI. Hoe dichter de beschadiging in de buurt van de hersenen, hoe hoger de graad van verlamming. In zeldzame gevallen is de verlamming zo ernstig dat iemand zich (vrijwel) in het geheel niet meer kan bewegen. Dit wordt ‘locked-in-syndroom’ (LIS) genoemd. Praten is vaak onmogelijk geworden, waardoor iemand is aangewezen op (moeizame) communicatie door middel van bijvoorbeeld het bewegen van de ogen.
BCI’s om de communicatie te herstellen bij mensen met LIS zijn nog in ontwikkeling. De verwachting is dat ze met deze systemen op elk moment van de dag zonder hulp van anderen zelf kunnen communiceren via het internet, apparaten in hun omgeving kunnen aan- en uitschakelen en zelf de aandacht van een verzorger kunnen trekken.
Ook voor mensen met minder ernstige verlamming kan een BCI iets betekenen. Zo wordt met succes gewerkt aan BCI’s voor besturing van kunstmatige ledematen. Het inbeelden van een beweging moet dan leiden tot beweging van een robotarm. Het is nu nog niet duidelijk of en wanneer deze BCI’s betaalbaar zullen worden voor mensen die verder wel kunnen communiceren.
Hoe werkt een brein-computer interface?
Een BCI werkt door signalen van de hersenen te meten en te interpreteren of decoderen. Hersencellen communiceren met andere hersencellen door middel van elektrische signalen. Dit wordt ‘hersenactiviteit’ genoemd. Deze activiteit is van buitenaf op te vangen.
Lange zenuwbanen leiden deze elektrische prikkels via het ruggenmerg naar de spieren, waardoor we bewuste bewegingen kunnen uitvoeren, zoals schrijven of praten. Soms zijn deze zenuwbanen beschadigd, bijvoorbeeld als gevolg van een beroerte of een neuromusculaire ziekte. Hierdoor komen signalen vanuit de hersenen niet meer bij de spieren aan: er is dan sprake van verlamming. De elektrische signalen van de hersenen zijn echter meestal wel intact. Daar maakt een BCI gebruik van.
Het meten van hersensignalen
Hersensignalen kunnen worden gemeten met verschillende technieken, die allemaal voor- en nadelen hebben. Een veelgebruikte techniek, bijvoorbeeld bij neurologisch onderzoek in het ziekenhuis, is elektro-encefalografie (EEG). Voor deze metingen worden elektroden op de hoofdhuid geplakt.
Elektroden kunnen ook onder de schedel worden aangebracht, direct op de hersenen. Dat vereist een operatie, maar het levert geen gevaar op voor de hersenen. De kwaliteit van de gemeten signalen is vele malen beter dan die van elektroden op de huid. Dit is de reden dat dergelijke implantaten nu worden ontwikkeld voor verlamde mensen.
Andere meettechnieken die voor BCI onderzoek worden gebruikt zijn functionele MRI waarbij hersenactiviteit gemeten wordt in een MRI-scanner, en magneto-encefalografie (MEG) waarbij hersenactiviteit gemeten wordt met een MEG-apparaat. Beide apparaten zijn echter groot en duur en zijn niet geschikt voor thuisgebruik.
Tot slot is er nog NIRS (near-infrared spectroscopy), een methode waarbij hersenactiviteit gemeten wordt met infrarood licht dat door huid en schedel wordt geschenen. Ook hiervoor geldt dat het een vrij onnauwkeurige methode is, die vooralsnog niet geschikt is voor medische BCI.
Hersenfuncties
Alle afzonderlijke lichaamsdelen hebben een eigen ‘controlecentrum’ in het brein dat verantwoordelijk is voor het aansturen van beweging. Het samenknijpen van de rechterhand en het bewegen van de linkervoet bijvoorbeeld worden door verschillende delen in de hersenen bestuurd.
De eerder genoemde meettechnieken kunnen vaststellen of een bepaald gebied actief is of niet. Met andere woorden: in de meting van de hersenactiviteit kunnen we zien wanneer iemand zijn of haar rechterarm beweegt. Heel bijzonder is ook dat er hersenactiviteit is als iemand alleen maar denkt aan het maken van een beweging.
In het algemeen zijn de controlecentra van de verschillende lichaamsdelen intact bij mensen met LIS. De hersengebieden kunnen dan actief gemaakt worden door te denken aan het bewegen van de arm, of door te proberen de arm te bewegen, zelfs als dat niet meer lukt.
Naast bewegingen zijn er ook tal van andere functies die in de hersenen kunnen worden uitgelezen. Er zijn bijvoorbeeld kleine gebieden in de hersenen die specifiek betrokken zijn bij het rekenen. Andere zijn betrokken bij begrip van spraak en taal. De hersenactiviteit in deze gebieden kan gebruikt worden om vast te stellen of iemand in het hoofd aan het rekenen of praten is.
Er zijn dus verschillende gebieden in de hersenen die mensen zelf kunnen activeren, door iets in te beelden of door zichzelf een opdracht te geven zoals rekenen (bijvoorbeeld van een getal terug tellen in sprongen van 7). Het feit dat ook verlamde personen doelbewust deze hersenactiviteit kunnen regelen, alleen door ergens aan te denken, maakt BCI voor hen een reële mogelijkheid.
Wat gebeurt er met de gemeten hersensignalen?
Door een elektrode precies op het gebied te plaatsen dat iemand kan reguleren door inbeelding of een bepaalde zelf-opdracht, meten we hersensignalen die daarop reageren. Zodra we dit zien, kunnen we deze informatie gebruiken voor het besturen van een extern apparaat. Zo kunnen hersensignalen omgezet worden in een muisklik, waarmee iemand door menu’s heen kan lopen in bijvoorbeeld een e-mailprogramma. Deze manier van besturing wordt al veel toegepast bij verlamde mensen, maar dan niet met een BCI maar met eenvoudige schakelaars of ‘buttons’. Zo kan iemand met behulp van een BCI berichten schrijven.
Een BCI kan geen ‘gedachten lezen’. De BCI kan alleen zien dat het hersensignaal onder de elektrode verandert, maar kan niet vaststellen wat de gebruiker denkt. Zelfs met de meest geavanceerde meetinstrumenten zoals functionele MRI kunnen we geen gedachten lezen; daarvoor zijn de hersenen veel te ingewikkeld. Een BCI kan wel zien wanneer de gebruiker een opdracht wil geven aan de computer. In de toekomst wordt het misschien ook mogelijk om meerdere soorten opdrachten te onderscheiden, bijvoorbeeld meerdere richtingen voor het bewegen van een cursor in computerprogramma’s.
BCI voor verlamden, stand van zaken
Het UMC Utrecht Hersencentrum heeft samen met Medtronic, een medisch bedrijf, een implanteerbare BCI ontwikkeld voor mensen met LIS. Deze Utrecht NeuroProthese, de UNP, is het eerste en enige systeem dat geschikt is voor zelfstandig thuisgebruik. De versterkte hersensignalen worden draadloos door de huid naar een externe computer gestuurd. Die kan verbonden worden met een apparaat naar wens, zoals een commercieel verkrijgbaar communicatiehulpmiddel.
Op meerdere plaatsen in de wereld worden nu ook andere volledig implanteerbare BCI’s ontwikkeld. De toekomst zal uitwijzen welke BCI’s het beste werken voor de verschillende groepen gebruikers. Voor nu is het hoopgevend dat de eerste proeven met mensen met LIS van start gaan. Goede resultaten kunnen verdere ontwikkeling van implantaten een impuls geven, waardoor ook minder ernstig verlamden kans maken op betaalbare en goed werkende BCI’s.
