Doorbraak in hersen‑computerinterfaces (BCI) die gehandicapten in staat stellen hun vaardigheden te herstellen en te floreren

Technologische vooruitgang groeit in zo’n snel tempo dat mensen met een handicap nu kunnen spreken, lopen, games spelen en nog veel meer doen met alleen hun gedachten.

Deze ontwikkeling is gedreven door vooruitgang in Brain-Computer Interface (BCI) technologie. BCI’s stellen individuen in staat externe apparaten, zoals computers, te bedienen met alleen hun gedachten. Deze interfaces werken door hersensignalen te verkrijgen, ze te analyseren en ze te vertalen naar commando’s die naar het uitvoerapparaat kunnen worden gestuurd.

BCI’s hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder het assisteren van mensen met een handicap door functies te herstellen die verloren zijn gegaan door aandoeningen zoals een beroerte, neurodegeneratie en een dwarslaesie. Door mogelijkheden zoals zicht, spraak en motorische functie te herstellen, tonen BCI’s het potentieel om menselijke vermogens te verbeteren.

Afhankelijk van hoe de signalen worden verkregen van de hersenen, kan de Brain-Computer Interface worden aangeduid als:

1. Invasief, waarbij elektroden direct worden geïmplanteerd in de cortex
2. Semi-invasief, waarbij elektroden geplaatst worden op het blootgestelde oppervlak van de hersenen
3. Niet-invasief, waarbij elektroden geplaatst worden op de schedel

In het afgelopen decennium is onderzoek en ontwikkeling op het gebied van BCI-technologie aanzienlijk gegroeid. Recente vooruitgangen hebben individuen met ernstige verlamming in staat gesteld te communiceren door hun hersensignalen naar tekst te vertalen en de controle over prothetische ledematen of hun spieren. BCI’s worden ook onderzocht om het geheugen te verbeteren, leren te versterken en mentale gezondheidsproblemen aan te pakken.

Met zoveel ontwikkelingen op het gebied van BCI, laten we een kijkje nemen naar de meest recente doorbraken van wetenschappers die het potentieel hebben om menselijke vermogens aanzienlijk te verbeteren. 

Spraakherstel met hoge nauwkeurigheid

In een studie die deze maand is gepubliceerd, ontwikkelden onderzoekers een nieuwe BCI die vertaalt hersensignalen naar spraak met een nauwkeurigheid tot 97%, wat een van de meest nauwkeurige systemen van dit type is.

De sensoren werden geïmplanteerd in de hersenen van Casey Harrell, een 45-jarige man die ernstig belemmerde spraak had door amyotrofische laterale sclerose (ALS). Ook bekend als de ziekte van Lou Gehrig, beïnvloedt deze neurologische aandoening de zenuwcellen die beweging door het hele lichaam regelen en leidt tot een geleidelijk verlies van het vermogen om te lopen, staan en spreken.

Toen Harrell deelnam aan de BrainGate klinische proef, was zijn spraak onbegrijpelijk en moesten anderen hem helpen interpreteren. Echter, binnen enkele minuten na het activeren van het BCI-systeem kon hij zijn bedoelde spraak communiceren.

UC Davis Health heeft deze nieuwe BCI-technologie ontwikkeld voor mensen met neurologische aandoeningen die niet via spraak kunnen communiceren. 

Wanneer een gebruiker probeert te spreken, interpreteert het nieuwe systeem hersensignalen voordat ze worden omgezet in tekst die vervolgens door de computer hardop wordt ‘uitgesproken’.

“Onze BCI-technologie hielp een man met verlamming om te communiceren met vrienden, familie en verzorgers.”

– David Brandman, mede-hoofdauteur en mede-hoofdonderzoeker van de studie en neurochirurg bij UC Davis

Hij voegde ook toe dat hun experiment heeft aangetoond “de meest nauwkeurige spraak-neuroprothese (apparaat) ooit gerapporteerd”.

Brandman, die ook assistent‑professor is in de UC Davis afdeling Neurologische Chirurgie en mede-directeur van het UC Davis Neuroprosthetics Lab, implanteerde het BCI-apparaat in juli vorig jaar. Vier micro-elektrodenarrays werden geïmplanteerd in het hersengebied dat verantwoordelijk is voor spraakcoördinatie, de linker precentrale gyrus. Deze arrays gebruiken 256 corticale elektroden om hersenactiviteit te registreren.

Met dit apparaat worden pogingen van patiënten om spieren te bewegen en te praten gedetecteerd.

“We registreren van het deel van de hersenen dat probeert deze commando’s naar de spieren te sturen. En we luisteren er in principe naar, en we vertalen die patronen van hersenactiviteit naar een foneem – zoals een lettergreep of de eenheid van spraak – en vervolgens de woorden die ze proberen te zeggen.”

– Neurowetenschapper Sergey Stavisky, mede-hoofdonderzoeker van de studie en assistent‑professor in de afdeling Neurologische Chirurgie en mede-directeur van het UC Davis Neuroprosthetics Lab

BCI-technologie heeft de afgelopen jaren enorm vooruitgang geboekt, maar pogingen om communicatie mogelijk te maken waren traag en vatbaar voor frequente woordfouten. Dit komt doordat machine‑learningprogramma’s die hersensignalen interpreteren veel tijd en data nodig hebben om te functioneren.

Het nieuwe systeem is bedoeld om die communicatiebarrière weg te nemen die het moeilijk maakt voor de gebruiker om consistent begrepen te worden.  

“Ons doel was een systeem te ontwikkelen dat iemand in staat stelde begrepen te worden wanneer ze wilden spreken.”

– Brandman

De patiënt gebruikte het systeem zowel in spontane als aangevraagde gesprekssituaties. De snelheid van decodering gebeurde in beide gevallen in realtime met constante updates die het nauwkeurig laten werken. De gedecodeerde woorden werden vervolgens getoond op een scherm en hardop voorgelezen door de computer. 

De stem die het hardop voorlas was eigenlijk de stem van de patiënt vóór zijn ALS. Hiervoor gebruikten de onderzoekers software die getraind was met bestaande audiomonsters van de pre-ALS stem van de patiënt.

De eerste spraakdatatraining duurde slechts een half uur en leverde een indrukwekkende woordnauwkeurigheid van 99,6% op met een vocabulaire van 50 woorden. De volgende sessie vergde nog eens 1,4 uur trainingsdata om een woordnauwkeurigheid van 90,2% te behalen voor een vocabulaire van 125.000 woorden. Met voortgezette dataverzameling behield de BCI een nauwkeurigheid van 97,5%.

Deze mogelijkheid om te decoderen wat de persoon met de implantaat zegt, correct ongeveer 97% van de tijd, volgens Brandman, “is beter dan veel commercieel beschikbare smartphone‑applicaties die proberen de stem van een persoon te interpreteren”.

De studie voerde 84 dataverzamelingssessies uit over 32 weken. De patiënt gebruikte de BCI voor communicatie via videochat en persoonlijk gedurende meer dan 248 uur. 

Verbeteren van communicatie & mobiliteit met unieke BCI-systemen

Een andere grote ontwikkeling in de afgelopen maanden kwam van Carnegie Mellon University, waar onderzoekers in staat waren bidirectionele BCI-functionaliteit te bereiken. Deze prestatie verbetert het vermogen van de interface om hersensignalen te interpreteren en sensorische feedback direct terug naar de hersenen te sturen. 

Bin He, een professor in biomedische techniek aan de universiteit, en zijn groep slaagden erin gefocuste ultrasone stimulatie te integreren om voor het eerst dubbele communicatie te realiseren. 

In een studie met 25 menselijke proefpersonen gebruikte de bidirectionele BCI machine learning om hersengolven te coderen en decoderen. Deze ontwikkeling heeft het potentieel om de signaalkwaliteit en algehele prestaties van niet-invasieve BCI aanzienlijk te verbeteren door gerichte neurale circuits te stimuleren.

Hoewel niet-invasieve BCI-technologie veilig en goedkoop is, heeft het feit dat het signalen van de schedel in plaats van van binnen de hersenen registreert en de kwaliteit van deze signalen beperkingen. 

Daarom werkt de groep van Carnegie Mellon University aan het verbeteren van de effectiviteit van niet-invasieve BCI’s. Dit heeft geleid tot het gebruik van deep‑learning benaderingen om precies te decoderen wat men denkt en vervolgens de controle over een robotarm of cursor mogelijk te maken. Nu, in hun nieuwste onderzoek, gebruikte de groep gefocuste ultrasone voor precieze niet-invasieve neuromodulatie, en de bevindingen toonden een significante verbetering van de EEG‑gebaseerde BCI‑communicatieprestaties.

De menselijke proefpersonen in de studie gebruikten een BCI-speller, een visuele bewegingshulp die vaak wordt gebruikt door niet-sprekers om te communiceren en zinnen te spellen zoals “Carnegie Mellon”.

In de studie droegen de proefpersonen een EEG-cap en genereerden EEG-signalen door simpelweg naar letters te kijken om de woorden te spellen die ze wilden.

Door een gefocuste ultrasone straal toe te passen op het V5-gebied van de hersenen, dat deel uitmaakt van de visuele cortex, konden de onderzoekers de prestaties van de niet-invasieve BCI onder proefpersonen aanzienlijk verbeteren. 

“Het BRAIN Initiative heeft sinds de oprichting meer dan 60 ultrasone projecten ondersteund. Deze unieke toepassing van niet-invasieve opname‑ en modulatie‑technologieën breidt de gereedschapskist uit, met een potentieel schaalbaar effect op het helpen van mensen met communicatiebeperkingen.”

– Dr. Grace Hwang, programmadirecteur bij het BRAIN Initiative van NIH

Toch werd een andere grote ontwikkeling gezien vorig jaar toen BCI een verlamde man, na een dwarslaesie, in staat stelde niet alleen te staan maar ook natuurlijk te lopen. Deze hersen-wervelkolom interface won de Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

Dit systeem omvatte twee volledig implanteerbare apparaten, één die hersenactiviteit gerelateerd aan beenbeweging registreerde en de andere die de wervelkolom elektrisch stimuleerde om beenspieren te controleren. Dit creëerde een ‘digitale brug’, waardoor een individu met verlamming van armen en benen kon lopen.

De ECoG-signalen uit de hersenen werden gemonitord met een 64-kanaals elektrodenrooster ingebed in een titanium behuizing met dezelfde dikte als de schedel.

De technologie werd ontwikkeld op basis van WIMAGINE, een uniek implanteerbaar medisch apparaat dat de hersenactiviteit aan het oppervlak van de cortex kan registreren. Er werd ook een speciale AI-algoritme ontwikkeld voor realtime decodering van de bewegingsintentie van een patiënt.

In de klinische proef van het apparaat kreeg een 38-jarige man met een onvolledige cervicale dwarslaesie door een fietsongeluk tien jaar eerder twee apparaten chirurgisch geïmplanteerd in zijn hersenen en een paddle-leiding op zijn lumbale wervelkolom.

Met behulp van de BSI kon de patiënt trappen beklimmen, obstakels overwinnen en verschillende terreinen doorkruisen. Bovendien was de BSI meer dan een jaar stabiel en betrouwbaar in gebruik zonder toezicht.

Maar wat betreft de veiligheid van BCI-apparaten?

Te midden van al deze vooruitgang zijn er veel zorgen geweest over de omgang met neurale data en cyberbeveiligingsdreigingen zoals brain tapping en misleidende stimuli-aanvallen. Een andere grote zorg betreft het veiligheidsprofiel van de hersen-computerinterface.

Voor invasieve BCI’s bestaat het risico op herseninfecties, weefselschade, aanvallen, bloedingen en hemorragie. Daarentegen kunnen niet-invasieve BCI’s hoofdpijn, oogvermoeidheid en huidirritatie veroorzaken door langdurige blootstelling aan elektromagnetische velden. 

Hoewel deze zorgen legitiem zijn, analyseerde een studie van onderzoekers van Brown University bijna twee decennia aan veiligheidsdata van klinische proeven met de BrainGate-technologie en vond lage percentages van bijwerkingen.

De BrainGate BCI wordt al meer dan twintig jaar ontwikkeld, en de nieuwste studie concludeert dat de neurotechnologie moet blijven worden geëvalueerd op haar potentieel om mensen met verlamming gedachten over beweging om te zetten in daadwerkelijke actie en verloren neurologische functie te herstellen.

Volgens Dr. Leigh R. Hochberg, een hersenwetenschapsprofessor aan Brown en directeur van het BrainGate academisch consortium dat de ontwikkeling en testing van de technologie leidt:

“In de grootste lopende proef van intracorticale hersen-computerinterfaces, ondersteunt het vandaag gerapporteerde tussentijdse veiligheidsprofiel de mogelijkheid dat deze systemen herstelende neurotechnologieën kunnen worden voor mensen met verlamming.”

Hoewel intracorticale BCI een enorm potentieel toont voor mobiliteit en gemeenschapsherstel, zei Hochberg dat voor deze vooruitgangen om echt om te zetten in patiëntenzorg, alles afhangt van “of de apparaten vergezeld gaan van een aanvaardbaar laag risico.”

Het veiligheidsrapport beoordeelde iets meer dan 12.200 dagen aan veiligheidsdata van 14 klinische proefdeelnemers in de leeftijdsgroep 18-75 met quadriparese als gevolg van ALS, dwarslaesie of hersenstamstroke. 

Tussen 2004 en 2021, toen al deze patiënten werden ingeschreven in de proeven, werden 68 bijwerkingen gerelateerd aan het apparaat gevonden. Huidirritatie was het meest voorkomende probleem, voorkomend in een klein deel van het apparaat.

Zes bijwerkingen werden geassocieerd met de chirurgische procedure. Twee deelnemers met een geschiedenis van traumatisch hersenletsel kregen korte aanvallen na de operatie, maar werden gemakkelijk behandeld. 

Ondanks dat het bijwerkingen waren, waren geen van de gedocumenteerde onverwacht. Bovendien leidden geen van deze bijwerkingen tot infecties in het zenuwstelsel die verwijdering van het apparaat vereisten of tot permanent verhoogde invaliditeit.

Hoewel de geruststellende veiligheidsbevindingen van het BrainGate Neural Interface-systeem een grote stap voorwaarts zijn, blijft er veel werk te doen, waaronder het garanderen dat apparaten volledig geïmplanteerd worden en 24/7 beschikbaar zijn voor gebruikers.

Bedrijven die vooruitgang boeken op het gebied van BCI

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel en Emotiv behoren tot de vele organisaties die deze technologie verder ontwikkelen en de toepassingen ervan verkennen in de medische, cognitieve en entertainmentsectoren. 

De meerderheid van deze bedrijven is particulier, en het is zeldzaam om openbare bedrijven in dit gebied vooruitgang te zien. Degenen die publiek zijn, zijn onderdeel van grotere organisaties. Bijvoorbeeld, NextMind, dat een niet-invasief BCI-apparaat ontwikkelde, werd overgenomen door Snap Inc. (SNAP ) Een ander voorbeeld is Ctrl-labs, een startup voor neurale interfaces die werd overgenomen door Meta (voorheen Facebook).

Laten we dus een kijkje nemen naar enkele prominente namen die voorop lopen in BCI-technologie:

#1. Neurable 

Neurable is een neurotechnologiebedrijf dat AI‑aangedreven tools ontwikkelt voor hersensignaalvertaling en BCI-technologie. In mei 2024 haalde het bedrijf $13mln op, waardoor de totale fondsenwerving sinds de oprichting meer dan $30mln bedraagt. Eind 2019 haalde Neurable $6mln op in een Series A financieringsronde om verder te gaan dan VR-toepassingen en een niet-invasieve BCI te ontwikkelen, twee jaar nadat het ‘s werelds eerste mind‑controlled VR‑spel presenteerde.

Nu, met de nieuwe financieringsronde, streeft het bedrijf ernaar zijn technologie “toegankelijk voor iedereen” te maken, zei CEO Dr. Ramses Alcaide, toevoegend:

“We geven individuen de mogelijkheid hun eigen geest te begrijpen, menselijke prestaties te optimaliseren en de meest dringende gezondheidsuitdagingen van onze generatie te overwinnen.”

#2. Precision Neuroscience

Dit bedrijf vestigde onlangs een wereldrecord voor het aantal elektroden, in totaal 4.096, geplaatst op de menselijke hersenen om corticale data te registreren. De ontwikkeling maakte deel uit van de test van Precision Neuroscience’s Layer 7 Cortical Interface. Deze prestatie wordt verwacht het bedrijf te helpen “de hersenen op een veel diepere manier te begrijpen”.

Precision Neuroscience werd opgericht door Benjamin Rapoport, een neurochirurg die mede Neuralink oprichtte maar vertrok vanwege veiligheidszorgen. 

#3. Neuralink

Opgericht door Elon Musk, is Neuralink een Amerikaans privébedrijf dat high‑bandwidth BCI’s ontwikkelt om neurologische aandoeningen te behandelen en uiteindelijk menselijke cognitieve vermogens te verbeteren. De focus van het bedrijf ligt op het creëren van implanteerbare apparaten die een groot aantal neuronen kunnen lezen en stimuleren.

Onlangs gebruikte de tweede persoon met een Neuralink hersenchip, die, in tegenstelling tot de eerste, volledig aan de hersenen blijft bevestigd, het implantaat om het populaire videospel Counter‑Strike 2 te spelen. De chip werd vorige maand geïmplanteerd, en de patiënt zou een “soepele” herstel hebben gehad. De patiënt had de controle over ledematen verloren na een dwarslaesie. 

Deze ontwikkeling vond plaats nadat bij de eerste patiënt 85% van de elektroden die aan zijn hersenen waren bevestigd, waren verplaatst, hoewel hij het implantaat nog effectief kon gebruiken. Het bedrijf heeft enkele mitigaties verminderd om het probleem te voorkomen, en tot nu toe is geen draadretractie waargenomen.

Tijdens zijn laatste verschijning in de podcast van Lex Fridman voorspelde Musk dat een mens met een chip‑verbeterde hersenen die een professionele videogame‑speler verslaat, nu niet meer ver weg is. Over de toekomst gesproken, zei Musk ook dat het langetermijndoel van Neuralink is de symbiose van AI en mensen te verbeteren door de communicatieve capaciteit van een individu op grote schaal te vergroten.

Conclusie 

BCI-technologie krijgt de afgelopen jaren veel aandacht en momentum, en deze ontwikkeling vertoont geen tekenen van vertraging. Sterker nog, er worden voortdurend nieuwe records en doorbraken behaald die niet alleen gericht zijn op het geven van een rijker leven aan mensen met een handicap, maar ook het potentieel tonen om de vermogens van gezonde mensen te verbeteren. 

Hoewel de weg naar implementatie van deze technologie voorlopig nog lang is, toont de voortdurende vooruitgang aan dat wat ooit sciencefiction was, binnenkort realiteit kan worden. 

Klik hier voor een lijst van de beste biotech-aandelen om in de gaten te houden.