AI en hersenimplantaten: een volgende stap voor neurale interfaces

Hersenimplantaten zijn niet langer uitsluitend sciencefiction. Experimentele systemen kunnen bepaalde hersensignalen ontcijferen om bijvoorbeeld een computer te bedienen. Deze resultaten betreffen specifieke taken en deelnemers, niet het onbeperkt lezen van alle menselijke bedoelingen.

Deze systemen heten hersen-computerinterfaces, of BCI’s. Ze vormen een communicatieverbinding tussen hersenactiviteit en een extern apparaat. Neuralink is een van de bekendste bedrijven op dit gebied en ontwikkelt een implanteerbare interface.

BCI’s worden al sinds de jaren zestig onderzocht. Recente vooruitgang in AI heeft het decoderen van neurale signalen verbeterd en belangrijke praktische demonstraties mogelijk gemaakt, onder andere voor mensen met een beperking. Voor brede toepassing moeten nog technische en klinische problemen worden opgelost.

Huidige toepassingen en doorbraken

In 2023 vond een groot deel van het onderzoek naar implanteerbare BCI’s nog plaats in laboratoria en klinische studies. Met behulp van AI werd wel steeds duidelijker hoe zulke systemen mensen met een beperking zouden kunnen helpen.

AI en hersenimplantaten voor communicatie en bewegingsbesturing

Wereldwijd leven ongeveer 1,3 miljard mensen met een aanzienlijke beperking. AI-ondersteunde interfaces kunnen mogelijk bij bepaalde communicatie- of mobiliteitsproblemen helpen. Ze kunnen niet alle beperkingen bij al deze mensen volledig wegnemen.

In twee studies die in augustus 2023 in Nature verschenen, toonden teams van Stanford en de University of California, San Francisco interfaces waarmee twee vrouwen met verlamming konden communiceren. De systemen decodeerden hersenactiviteit bij pogingen om te spreken. Computermodellen, waaronder taalmodellen, hielpen daarvan tekst of een kunstmatige stem te maken. Dit was geen herstel van hun natuurlijke spreekstem.

Bij Stanford kreeg Pat Bennett, destijds 68 jaar, vier kleine micro-elektrodearrays in hersengebieden die bij spreken betrokken zijn. Software zette haar spreekpogingen om in tekst. Het UCSF-team gebruikte bij Ann een andere interface op het hersenoppervlak, waarmee zij een kunstmatige stem en de gezichtsbewegingen van een digitale avatar kon aansturen. Ann was 30 toen zij de beroerte kreeg die tot haar verlamming leidde, niet toen de studie plaatsvond. Beide onderzoeken verbeterden de beschikbare woordenschat, decodeersnelheid en nauwkeurigheid ten opzichte van eerdere systemen.

AI en micro-elektronica combineren om hersenaandoeningen te bestrijden

Elektrische stimulatie via implantaten kan helpen bij epilepsie en de ziekte van Parkinson door afwijkende neurale activiteit te beïnvloeden. De University of Toronto brengt elektrotechnische en computeringenieurs samen met clinici, neurowetenschappers en deskundigen op het gebied van materialen en data. Hun onderzoek richt zich onder meer op nauwkeurigere en energiezuinigere neuromodulatie.

Met deep learning probeert het team kenmerken en verborgen biomarkers in hersensignalen te herkennen, zodat beter kan worden bepaald wanneer stimulatie nodig is. Mogelijke toekomstige toepassingen omvatten de onderstaande aandoeningen; dat betekent niet dat al deze toepassingen al bewezen behandelingen zijn:

• Chronische pijn
• Depressie
• Dementie
• Ziekte van Alzheimer
• Slaapstoornissen

Neuralinks onderzoek bij mensen

In 2023 kreeg Neuralink toestemming van de Amerikaanse FDA voor zijn eerste onderzoek bij mensen. In september kondigde het bedrijf na goedkeuring door de bevoegde ethische commissie de werving van deelnemers aan. Toestemming voor een klinische studie is geen vergunning om het apparaat op de markt te brengen. Veiligheidsvragen maakten deel uit van de beoordeling van dit experimentele systeem.

Voor de PRIME-studie, voluit Precise Robotically Implanted Brain-Computer Interface, werden mensen gezocht met verlamming door een beschadiging van het ruggenmerg in de nek of door amyotrofische laterale sclerose. De brochure beschreef ongeveer zes jaar deelname en follow-up. Een operatierobot zou de draden van het draadloze implantaat inbrengen. De studie moest de veiligheid en eerste werkzaamheid beoordelen bij het bedienen van een computer via hersensignalen.

Musk heeft bredere ambities genoemd, onder andere rond autisme, depressie en schizofrenie. Die uitspraken bewezen niet dat Neuralink deze aandoeningen kon behandelen en vormden niet het doel van de PRIME-studie. Na preklinisch onderzoek met dieren wierf het bedrijf in 2023 deelnemers met verlamming voor zijn eerste menselijke studie.

Technologische en wetenschappelijke vooruitgang

In de afgelopen decennia is baanbrekend onderzoek uitgevoerd op het gebied van BCI, dat een directe communicatielink tussen de hersenen en een computer biedt. Nu heeft AI dit nog verder gebracht dankzij het vermogen om complexe data te analyseren en mensachtige output te genereren.

De eerste experimentele spraakinterfaces waren traag en beperkt. Vooruitgang in neurowetenschap en rekenkracht heeft snellere systemen mogelijk gemaakt, die toekomstige communicatiehulpmiddelen of bewegingsbesturing kunnen ondersteunen. De hier besproken spraakimplantaten waren nog experimenteel; de studies bewezen niet dat AI-implantaten voor herstel van alle zintuiglijke en motorische functies al commercieel verkrijgbaar waren.

Deze systemen zetten hersensignalen bij een spreekpoging om in tekst. In het Stanford-onderzoek bedroeg het woordfoutpercentage 9,1 % bij een beperkte woordenschat van 50 woorden: 2,7 keer minder fouten dan bij een eerdere vergelijkbare spraakinterface. Bij de veel grotere woordenschat van 125.000 woorden was het foutpercentage 23,8 %. De snelheid bereikte 62 woorden per minuut, tegenover ongeveer 160 bij een natuurlijk gesprek. Dat was een belangrijke verbetering, maar nog duidelijk langzamer dan gewone spraak.

Dit onderzoek binnen de BrainGate2-studie gebruikte een recurrent neuraal netwerk om spraak te decoderen. Een afzonderlijke analyse onderscheidde 33 bewegingen van mond en gezicht met 92 % nauwkeurigheid via een naïeve Bayes-classificator. Dat percentage betrof dus niet de nauwkeurigheid van vrije tekst of een recurrent netwerk dat alle gezichtsbewegingen herkent.

Aangezien het decoderen van gedrag of cognitieve staat uit neurale signalen cruciaal is voor BCI‑onderzoek, is deep learning naar voren gekomen als de methode in vele machine‑learning‑taken zoals beeldsegmentatie en spraakherkenning. Het succes heeft geleid tot gebruik bij het voorspellen van veelvoorkomende outputs, waaronder beweging, spraak en visie.

Onderzoekers van de University of Texas at Austin ontwikkelden daarnaast een niet-invasieve semantische decoder met een Transformer-model, een architectuur die ook wordt gebruikt in systemen zoals ChatGPT en het toenmalige Bard. De deelnemers, niet de onderzoekers, luisterden tijdens het trainen naar verhalen in een fMRI-scanner. Daarna kon het systeem tekst genereren die een deel van de betekenis van nieuwe gehoorde of ingebeelde verhalen weergaf, zonder betrouwbare woordelijke transcriptie. Individuele training en medewerking waren noodzakelijk; het was geen universeel systeem dat ongemerkt iemands gedachten kon lezen.

Zoals we hier zagen, helpt het gebruik van AI de neurowetenschap enorm. Er zijn echter bepaalde overwegingen die in acht moeten worden genomen bij het omgaan met dit snel evoluerende gebied.

Klik hier om meer te leren over de volgende blockbuster‑therapieën voor het genezen van neurologische aandoeningen.

Ethische, privacy‑ en veiligheidsoverwegingen

De vooruitgang in herseninterfaces en AI biedt belangrijke perspectieven voor mensen die ondersteuning nodig hebben. De ontwikkeling brengt ook vragen over veiligheid, privacy en verantwoordelijkheid met zich mee.

Eenvoudig gezegd zijn AI‑systemen vatbaar voor fouten en storingen, net als elke andere technologie, wat potentieel schadelijke gevolgen kan hebben. Gebouwd op complexe algoritmen die enorme hoeveelheden data verwerken, zijn AI‑systemen ook kwetsbaar voor hacking en manipulatie. Bovendien kan de data waarop ze getraind zijn inherente vooroordelen bevatten die leiden tot discriminerende uitkomsten.

De groeiende investeringen in systemen die hersenactiviteit analyseren en neurale gegevens bewaren, hebben UNESCO ertoe gebracht alarm te slaan over mogelijke gevolgen voor mensenrechten. De organisatie pleitte voor wereldwijde regels voor neurotechnologie. Dat betekende niet dat zulke systemen al vrijelijk alle gedachten konden lezen.

“De belofte … kan tegen een hoge prijs komen in termen van mensenrechten en fundamentele vrijheden, indien misbruikt. Neurotechnologie kan onze identiteit, autonomie, privacy, gevoelens, gedrag en algehele welzijn beïnvloeden.”

– zei Gabriela Ramos, assistent-directeur-generaal van UNESCO voor sociale en humane wetenschappen.

In 2023 kondigde de wetenschappelijke en culturele organisatie van de VN aan dat zij een universeel ethisch kader voor neurotechnologie zou ontwikkelen.

Ramos waarschuwde dat de technologie raakt aan de essentie van het mens-zijn. Mariagrazia Squicciarini, hoofdauteur van een UNESCO-rapport over innovatie in neurotechnologie, beschreef de toevoeging van AI als neurotechnologie op steroïden. Zij benadrukte daarmee hoe sterk AI de ontwikkeling kan versnellen.

Het UNESCO-rapport uit 2023 meldde dat de jaarlijkse private financiering van neurotechnologie tussen 2010 en 2020 met een factor 22 was gestegen tot 7,3 miljard dollar in 2020. Het aantal innovaties gemeten via octrooien groeide met ongeveer een factor 20 tussen 2000 en 2020, dus over een andere periode. Het artikel noemde daarnaast een historische verwachting dat de markt voor neurotechnologische apparaten in 2027 meer dan 24 miljard dollar zou bedragen, geen reeds gerealiseerde omzet.

Het analyseren van hersengegevens met AI maakt bescherming van mentale privacy belangrijker. Er zijn berichten geweest over Chinese werknemers die hoofddeksels dragen om bepaalde emotionele toestanden te schatten. Zulke schattingen vormen geen bewijs dat emoties volledig en betrouwbaar kunnen worden gelezen. In de Verenigde Staten onderzoekt het leger onder meer interfaces voor apparaatbesturing en mogelijke cognitieve of therapeutische toepassingen.

Ethische zorgen zijn ook geuit over de impact van BCI’s op de samenleving. Velen vrezen dat het geven van ongekende toegang tot de hersenen van mensen dystopische mogelijkheden tot realiteit kan maken.

Bedrijven en organisaties die neurale interfaces ontwikkelen

Hieronder staan verschillende spelers op het gebied van hersen- en neurale interfaces. Hun technologieën omvatten zowel implantaten als niet-invasieve systemen met uiteenlopende functies:

1. Neuralink

Neuralink, opgericht door Elon Musk, ontwikkelt draadloze implantaten die neurale activiteit registreren om externe apparaten te bedienen. Het artikel uit november 2023 meldde 43 miljoen dollar aanvullende financiering, als uitbreiding van een ronde onder leiding van Founders Fund, het fonds waarvan Peter Thiel medeoprichter is.

In juni 2023 werd een waardering van ongeveer vijf miljard dollar gemeld. De geschatte jaarlijkse omzet van 115,7 miljoen dollar bij Growjo was een externe schatting, geen door Neuralink gepubliceerde gecontroleerde omzet. In november 2023 vroegen Amerikaanse parlementariërs de SEC de verklaringen van het bedrijf over overleden proefdieren te onderzoeken. Volgens de destijds aangehaalde uitspraak van Musk was een commerciële introductie nog jaren verwijderd; dat was geen goedgekeurde marktintroductiedatum.

2. Synchron

Synchron, gevestigd in New York, ontwikkelt een interface die via een bloedvat hersensignalen registreert voor de bediening van een computer. Dit is een communicatie- en besturingssysteem, geen neuromodulatietherapie. In januari 2023 verschenen de resultaten van de SWITCH-studie bij vier mensen met ernstige verlamming, gericht op veiligheid en haalbaarheid.

Het apparaat wordt via het vaatstelsel ingebracht en registreert signalen nabij de hersenschors. Bij twaalf maanden follow-up van vier deelnemers werden geen ernstige apparaatgerelateerde ongewenste gebeurtenissen vastgesteld. Dat betekent niet dat er geen bijwerkingen of risico’s zijn. Het artikel noemde volgens CB Insights 135,7 miljoen dollar opgehaalde financiering en steun van investeerders verbonden aan Jeff Bezos en Bill Gates. De jaarlijkse omzet van 37,3 miljoen dollar bij Growjo was een externe schatting, niet bevestigd door gepubliceerde gecontroleerde bedrijfsrekeningen.

3. Blackrock Neurotech

Dit private bedrijf ontwikkelt neurotechnologische systemen, waaronder BCI’s. In juni 2022 meldde Blackrock Neurotech 30.000 patiëntdagen aan onderzoek met zijn implantaten, opgeteld over deelnemers. Dat betekent niet dat één persoon 30.000 dagen in het ziekenhuis verbleef. Medeoprichter en voorzitter Florian Solzbacher meende toen dat de technologie klaar was voor de overstap van het laboratorium naar patiënten thuis. Deze bedrijfsopvatting was geen algemene markttoelating.

In 2021 haalde het bedrijf tien miljoen dollar financiering op, onder meer bij re.Mind Capital van Christian Angermayer, Peter Thiel, Tim Sievers en het University Venture Fund II van Sorenson Impact.

4. BrainGate

Het onderzoeksconsortium BrainGate heeft een hersenimplantaat ontwikkeld dat een cluster van 100 puntige elektroden bevat en chirurgisch in de hersenen wordt ingebed. Het BCI‑systeem is ontworpen om mensen met verlamming in staat te stellen robotische ledematen of computers te besturen met hun gedachten. Het uiteindelijke doel van BrainGate is mobiliteit, communicatie en onafhankelijkheid te herstellen voor mensen met tetraplegie.

5. Precision Neuroscience

In juni 2023 kondigde Precision Neuroscience, mede opgericht door een voormalige medeoprichter van Neuralink, de eerste menselijke procedures voor hersenkartering aan. De Layer 7 Cortical Interface is een elektrodearray voor het hersenoppervlak die dunner is dan een mensenhaar. Deze tijdelijke metingen tijdens operaties bewezen nog niet de werkzaamheid van een langdurig implantaat voor dagelijks gebruik.

In januari 2023 haalde het bedrijf 41 miljoen dollar op, waarmee de totale financiering in minder dan twee jaar 53 miljoen dollar bedroeg. Het ontwikkelde onder meer een weinig invasieve techniek om een interface via een kleine sleuf in de schedel in te brengen.

6. Kernel

Kernel, opgericht door Bryan Johnson, ontwikkelt het niet-invasieve systeem Kernel Flow. Dit gebruikt tijdsopgeloste functionele nabij-infraroodspectroscopie, of TD-fNIRS, om veranderingen te meten die samenhangen met hersenactiviteit.

Volgens het bedrijf is Kernel Flow een draagbare multimodale neuro-imagingheadset die in enkele minuten kan worden opgezet. Het combineert optische metingen van de bloedrespons met EEG. TD-fNIRS meet veranderingen in zuurstofvoorziening van het bloed die samenhangen met hersenactiviteit; het is geen implantaat en leest niet rechtstreeks gedachten.

7. Neurable

Neurable ontwikkelt niet-invasieve interfaces op basis van EEG. Het onderzoek omvatte onder andere games en mens-computerinteractie in omgevingen met augmented en virtual reality. Onderzoekstoepassingen en mogelijke klinische toepassingen zijn niet hetzelfde als goedgekeurde medische behandelingen.

8. CTRL-labs

De startup voor niet-invasieve neurale interfaces werd in 2019 overgenomen door Facebook, dat later Meta ging heten. De prijs is niet officieel bekendgemaakt; persschattingen liepen op tot een miljard dollar. De prototypes van zijn polsband, onder meer getoond in 2018, meten elektrische spiersignalen bij de pols via elektromyografie. Het doel is apparaten te bedienen op basis van bewegingsintenties en kleine gebaren, niet rechtstreeks alle gedachten te lezen via een hersenimplantaat.

Toekomstperspectieven en uitdagingen

AI-ondersteunde herseninterfaces zijn belangrijke hulpmiddelen voor neurowetenschappelijk onderzoek. Ze kunnen bepaalde behandelingen en ondersteunende apparaten verbeteren. De resultaten bij studiedeelnemers zijn veelbelovend, maar hun betekenis verschilt per technologie en onderzochte toepassing.

Door de Amerikaanse DARPA gefinancierde onderzoekers bestuderen signalen die samenhangen met stemmingsstoornissen en de stimulatie van hersennetwerken. In 2018 gepresenteerde studies onderzochten onder meer het decoderen van stemming en stimulatie met een open regelkring, als stappen naar toekomstige gesloten regelkringen. Dat bewees niet dat implantaten al in 2017 iedere patiënt zonder medisch toezicht automatisch in een gezonde toestand konden brengen.

Andere onderzoeken richten zich op het bedienen van prothetische ledematen en het beïnvloeden van afwijkende neurale activiteit. Neurofeedback kan terugkoppeling geven om bepaalde signalen te leren veranderen; de resultaten hangen af van de toepassing. Ook communicatie tussen hersenen wordt experimenteel onderzocht, maar dat is geen algemene, naadloze overdracht van gedachten.

Verbetering van cognitieve vermogens bij mensen zonder therapeutische noodzaak is een ander denkbaar toekomstig gebruik. Gerichte stimulatie zou bepaalde functies voor aandacht, geheugen of leren kunnen beïnvloeden. Dat blijft een onderzoeksperspectief, geen algemeen bewezen vermogen van AI-hersenimplantaten.

Hoewel deze chips nieuwe wegen bieden voor menselijke augmentatie, is het van vitaal belang de ethische overwegingen met betrekking tot toegankelijkheid en privacy aan te pakken.

Volgens de Pew Research Center-enquête uit 2022 wilde 78 % van de Amerikanen geen implantaat voor verbetering van cognitieve vermogens; 20 % wilde dat wel. De vraag ging over cognitieve verbetering, niet over alle medische toepassingen. In een eerdere enquête wilde ongeveer twee derde al geen chip voor sterk verbeterde concentratie en informatieverwerking. Bij wijdverbreid gebruik dacht zes op de tien dat de meeste mensen druk zouden voelen om een implantaat te nemen.

Bij deze vragen over cognitieve verbetering verwachtte 52 % dat hackers vaak toegang tot persoonlijke informatie zouden krijgen als implantaten algemeen werden gebruikt. Ook ongewenste veranderingen in de hersenen en storingen baarden zorgen. Verder wilde 83 % strengere testnormen dan voor medische hulpmiddelen, in plaats van dezelfde normen.

Dit toont de noodzaak aan om de juiste balans te vinden om het opmerkelijke potentieel van AI‑hersenchips te ontsluiten, terwijl de gezondheid, veiligheid en kernwaarden van individuen en de samenleving als geheel worden beschermd.

Klik hier voor de lijst van de tien beste biotech‑aandelen.

Conclusie

Hersen-computerinterfaces met AI, waaronder taalmodellen, verbeteren de verwerking van neurale signalen. Demonstraties hebben bepaalde mensen met verlamming geholpen om te communiceren of externe apparaten te bedienen. Dat is geen onbeperkt gedachtenlezen en geen volledig herstel van alle bewegingsmogelijkheden.

Deze technologie biedt belangrijke mogelijkheden, maar vergt zorgvuldige beoordeling van veiligheid, privacy en ethiek. Grondige studies, transparante informatie en doorlopende controle zijn nodig om de voordelen en risico’s vast te stellen.

Over het geheel genomen zijn de potentiële toepassingen van AI‑aangedreven hersenchips enorm, en hun implicaties zijn diepgaand.

Klik hier om alles te leren over investeren in kunstmatige intelligentie.