Er is al behoorlijk wat brein-computerinterface (BCI) technologie beschikbaar die ingezet kan worden om (complexe) systemen via gedachten te besturen. In de zorg worden BCI’s ook toegepast voor het behandelen en verbeteren van bijvoorbeeld patiënten die aan Parkinson lijden, maar ook om mensen die (deels) verlamd zijn weer controle te geven over hun ledematen. Momenteel vereist het gebruik van een BCI in de meeste gevallen nog een chirurgische ingreep waarbij een implantaat in de hersenen wordt geplaatst. Met die wetenschap gingen onderzoekers van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, Maryland, en de Johns Hopkins School of Medicine in Baltimore op zoek, en met succes zo nu blijkt, naar een technologie die niet-invasieve, hoge-resolutie registratie van neurale hersenactiviteit mogelijk maakt.
In een artikel gepubliceerd in Scientific Reports toont het team aan dat vervormingen van neurale weefsels een nieuw signaal voor hersenactiviteit kunnen vormen dat mogelijk kan worden gebruikt voor toekomstige BCI-apparaten.
Beperkingen non-invasieve BCI-oplossingen
De huidige, reeds beschikbare, non-invasieve BCI-oplossingen hebben de nodige beperkingen op het gebied van ruimtelijke resolutie, temporele resolutie, signaal-ruisverhouding en vormfactor. Het besturen van complexe systemen zonder chirurgische implantaten zou brede toepassingen kunnen hebben waar een bredere populatie baat bij heeft. Momenteel is BCI beperkt tot klinische gevallen vanwege de invasieve aard ervan.
“Er zijn twee uitdagingen om een non-invasief BCI-apparaat te realiseren: het identificeren van een signaal in de hersenen dat inzicht zou kunnen geven in wanneer en waar neurale activiteit plaatsvindt, en het aantonen van de mogelijkheid om dit signaal door de hoofdhuid en schedel van een persoon heen op te nemen,” aldus David Blodgett, hoofdonderzoeker van het project en hoofdwetenschapper bij APL.
Digitale holografische beeldvorming
De onderzoekers probeerde de eerste van deze uitdagingen aan te pakken door een digitaal holografisch beeldvormingssysteem (DHI) te ontwikkelen om het signaal te identificeren en te valideren als weefselvervorming die optreedt tijdens neurale activiteit. Weefselvervorming is slechts tientallen nanometers groot, dus werd het DHI-systeem ontwikkeld met gevoeligheden op nanometerschaal. Het DHI-systeem werkt door het weefsel actief te belichten met een laser en het verstrooide licht van het neurale weefsel op te nemen op een speciale camera.
Deze informatie wordt verwerkt tot een complex beeld van het weefsel waarvan de magnitude- en fase-informatie nauwkeurig kan worden vastgelegd om veranderingen in de snelheid van het hersenweefsel ruimtelijk op te lossen. Gedurende meerdere jaren werden talloze fundamentele tests uitgevoerd om er zeker van te zijn dat het signaal dat het team identificeerde daadwerkelijk gecorreleerd was met het moment waarop neuronen vuurden. Het neurale signaal was moeilijk te identificeren vanwege ruis van fysiologische rommel zoals bloedstroom, hartslag en ademhalingsfrequentie.
Blodgett, die een achtergrond heeft in de ontwikkeling van teledetectietechnologie vanuit de lucht en onder water, beschreef de uitdaging als een teledetectieprobleem, waarbij het team een klein signaal - neurale activiteit - moest detecteren in een complexe, onoverzichtelijke omgeving - de hersenen.
Om deze uitdaging aan te gaan was een brede set technische mogelijkheden nodig. Blodgett en zijn team werkten samen met Johns Hopkins Medicine en brachten multidisciplinaire expertise samen op het gebied van biomedische beeldvorming, onderwaterbeeldvorming, akoestische verwerking in realtime hardware- en softwaresystemen, neurowetenschappen en medisch onderzoek.
Waardevolle fysiologische ‘rommel’
Hoewel het doel van het team was om de fysiologische ‘rommel’ te beperken om het neurale signaal te identificeren, ontdekten ze dat de rommel ook inzicht kan geven in de gezondheid van een individu. De mogelijkheid om fysiologische signalen op te nemen breidt de toepassingsmogelijkheden van het systeem uit. Een voorbeeld was de realisatie dat het systeem in staat was om op non-invasieve wijze de intracraniële druk te registreren. Wanneer artsen de intracraniële druk van een patiënt moeten meten, moeten ze een gat door de schedel boren.
Als iemand een traumatisch hersenletsel oploopt en medicatie krijgt toegediend, weten artsen pas of de medicatie werkt als de patiënt wakker wordt. De mogelijkheid om de gezondheid van de hersenen van buitenaf te controleren zou artsen kunnen helpen om deze uitdagingen aan te gaan zonder invasieve methoden. “De hersenfunctie en -gezondheid door de schedel heen kunnen controleren zonder invasieve operaties is klinisch zeer nuttig”, zegt Austen Lefebvre, assistent-professor neurologie aan de Johns Hopkins University en auteur van het artikel.
“Hoewel er nog veel te begrijpen valt over het neurale signaal, openen de bevindingen van het team nieuwe wegen voor optische registratie van hersenfuncties door digitale holografische beeldvorming te vestigen als een niet-invasieve modaliteit die in staat is tot registratie met hoge resolutie,” aldus Wolmetz. “De prioriteit ligt nu bij het aantonen van het potentieel voor basale en klinische neurowetenschappelijke toepassingen bij mensen.”
