Dankzij een hersenimplantaat kan een opgesloten man zijn gedachten in geschreven zinnen vertalen

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

neurofeedbackbeelden van hersenimplantaten

ALS (amyotrofische laterale sclerose) is verwoestend wreed. Naarmate neuronen die de beweging controleren langzaam afsterven, verlies je het vermogen om te lopen, spreken en ademen. Je geest blijft scherp, maar je zit volledig opgesloten, zonder enige manier om met de buitenwereld te communiceren.

Dat is wat een 37-jarige man ervoer. De diagnose werd gesteld op 30-jarige leeftijd en in slechts vier maanden verloor hij zijn vermogen om te spreken en te lopen. Binnen twee jaar kon hij zijn ogen niet meer bewegen – zijn enige manier om met zijn vrouw en zoontje te communiceren. Hij ademde door een beademingsapparaat en raakte volledig verlamd, hij zat gevangen in zijn geest.

Vastbesloten om uit zijn fysieke gevangenis te ontsnappen, schreef de man zich in een zeer experimentele procedure. Twee micro-elektrode-arrays werden chirurgisch geïmplanteerd in hersengebieden die de beweging controleren. Iets meer dan 100 dagen na de operatie en na uitgebreide training kon de patiënt zijn geest gebruiken om zijn gedachten in volledige zinnen te spellen.

Zijn eerste verzoek? Verander zijn lichaamspositie om comfortabeler te zijn. Zijn volgende? “Ik wil graag naar het album van luisteren Gereedschap [een band] luid”, en vervolgens “Nu een biertje.”

‘Mensen hebben er echt aan getwijfeld of dit wel haalbaar was’ zei Dr. Mariska Vansteensel van het Universitair Medisch Centrum Utrecht, die niet betrokken was bij het onderzoek, aan Wetenschap.

Als het systeem wordt gerepliceerd, belooft het de communicatie terug te brengen naar honderdduizenden mensen die opgesloten zitten in hun geest, of dat nu is vanwege ALS, een beroerte, kanker of traumatisch hersenletsel. Voorlopig is de methode nog lang niet klaar voor klinisch gebruik. Afgezien van jarenlange training is de procedure zeer op maat gemaakt voor elke persoon, met een flinke rekening van minstens $ 500,000 gedurende de eerste twee jaar.

Het veld is ook verwikkeld in controverse, met twee van de auteurs van de studie verwikkeld in een wetenschappelijk wangedragschandaal voor hun eerdere werkzaamheden bij opgesloten patiënten. Wat het nieuwe werk betreft, zei hersenimplantaatdeskundige Dr. Natalie Mrachacz-Kersting van de Universiteit van Freiburg, die er niet bij betrokken was maar op de hoogte is van hun geschiedenis: “Ik zou zeggen dat het een solide studie is. '

Het kon de patiënt niets schelen. “Allereerst wil ik Dr. Niels Birbaumer, de hoofdauteur van de studie, bedanken”, zei hij in gedachten. Een jaar later “is mijn grootste wens een nieuw bed en dat ik morgen met jullie meekom voor de barbecue”, vertelde hij zijn familie.

De lange weg daarheen

Hersenchirurgie is niet iemands eerste keuze.

Na zijn diagnose stelde de man een spelplan op dat bekend is bij elk gezin dat met ALS vecht. In het midden bevond zich een oogvolgapparaat waarmee hij zijn gedachten kon spellen. Maar toen de spieren rond zijn ogen het geleidelijk begaven, kon hij zijn blik niet langer fixeren, waardoor de tracker onbruikbaar werd. De familie ontwikkelde vervolgens hun eigen pen-en-papiersysteem, zodat ze eenvoudige gedachten konden volgen op basis van zijn oogbewegingen. Het was rudimentair: elke waarneembare oogbeweging wordt als een ‘ja’ beschouwd, anders veronderstellen ze ‘nee’.

De patiënt besefte dat hij binnenkort alle oogcontrole zou kunnen verliezen en begon zijn reis om alleen via de elektrische signalen van zijn hersenen te communiceren. Met de opkomst van steeds krachtigere software en biocompatibele hersenimplantaten, het verbinden van de hersenen met computers– en het omzeilen van neurale schade – explodeert in een zeer krachtige, zij het nog experimentele, strategie om verlamming te bestrijden.

Beginnend met een niet-invasieve opstelling, werd hij voorzien van elektroden op het oppervlak van zijn schedel om de brede elektrische patronen van zijn hersenen vast te leggen. Omdat de schedel signalen verstrooit en ruis binnenbrengt, meet het systeem als aparte gegevensbron ook elektrische signalen over het oog. Ontwikkeld door studie auteurs Birbaumer en zijn oude medewerker Dr. Ujwal Chaudhary, werkte het systeem op een binair ‘ja’ of ‘nee’.

Binnen een jaar mislukte de communicatie opnieuw. Anticiperend op zijn lot van totale lock-in, schuwde de man – in overleg met zijn vrouw en zus – de ogen helemaal. In plaats daarvan kozen ze voor hersenimplantaten om rechtstreeks gebruik te maken van zijn neurale signalen.

Nog een lange weg

In juni 2018, slechts drie jaar na zijn diagnose, liet de man twee microarray-elektroden in zijn motorische cortex implanteren. Elk implantaat bevatte 64 kanalen om naar de activiteit van zijn hersenen te luisteren als een manier om te decoderen en met de buitenwereld te communiceren.

Het is geen nieuw idee. Eén onderzoek uit 2016 gebruikte hersenimplantaten – in totaal zestien elektroden – bij een vrouw om het typen te controleren door bewegingen in haar hand voor te stellen. In tegenstelling tot de huidige patiënte kon zij nog steeds met haar ogen knipperen, wat haar geval anders maakte. “We weten echt niet of communicatie, zelfs via hersensignalen, nog steeds mogelijk is als alle spiercontrole faalt”, aldus de auteurs van het onderzoek.

Vrijwel onmiddellijk botsten ze tegen een muur. Een dag na de implantatie, terwijl de patiënt zijn ogen nog kon bewegen, vroeg het team hem te vertrouwen op de eerdere strategie van de familie om ‘ja’ of ‘nee’ te communiceren terwijl hij zijn hersensignalen in de gaten hield. Helaas waren de signalen veel te zwak. Door de patiënt te vragen zich hand-, tong- of voetbewegingen voor te stellen – allemaal trucjes uit eerder werk – kon ook geen neurale signalen worden gegenereerd die zijn bedoelingen konden ontcijferen.

Bijna drie frustrerende maanden later veranderde het team hun strategie. Ze maakten gebruik van neurofeedback, een methode waarmee iemand zijn hersensignalen kan aanpassen met realtime feedback over de vraag of hij daarin is geslaagd. Het klinkt als academische-ontmoet-new-age-meditatie, en het is een beetje ongebruikelijk als trainingsparadigma. Maar neurofeedback wordt getest als een methode voor zelfcontrole van hersenfuncties voor een verscheidenheid aan stoornissen, waaronder angst, Depressie, slapeloosheid, verslaving en andere, met wisselend succes.

Hier gebruikte het team auditieve neurofeedback als een manier om neurale reacties in de buurt van de geïmplanteerde elektroden beter te meten. Ze speelden eerst een toon en vroegen de man om te proberen de toon hoger of lager in toonhoogte te manipuleren. Onder de motorkap piekten de neurale schoten van de man sneller of langzamer, afhankelijk van de toonhoogte, wat een krachtige basislijn opleverde.

hersenimplantaat — *Krediet van het beeld: Chaudhary et al., Nature*

De strategie werkte. De patiënt kon bij zijn eerste poging de toonhoogte veranderen. Binnen twee weken kon hij de toon evenaren door zich alleen maar te concentreren. Dankzij deze eerste tests kon het team zeer responsieve neuronen uitkiezen, en met behulp van de gegevens bedachten ze een eenvoudige strategie: door een toon hoog of laag te houden, kon hij eerst ‘ja’ of ‘nee’ aangeven, en vervolgens individuele letters. .

Een lange weg vooruit

De opleiding was zwaar. Op elke sessiedag begon het team met 10 minuten basislijnopnamen terwijl de man rustte.

“Het is hoe we ons softwareprogramma kunnen laten draaien om de vuursnelheid van verschillende individuele kanalen te bepalen” om te zien welke optimaal zijn voor neurofeedback, legden de auteurs uit. Over het geheel genomen voldeed de man aan 80 procent van de feedback voordat ze doorgingen met spellingsessies. Binnen de eerste drie dagen kon hij zijn eigen naam, die van zijn vrouw en die van zijn zoon spellen.

Maar het is nog steeds een slopende taak: zelfs met maandenlange training kon hij communiceren met ongeveer één karakter per minuut, of 131 karakters per dag. En dat zijn nog maar de begrijpelijke. Helaas was er zelfs met training geen snelheidstoename.

Hoe moeizaam het ook is, de man kan zijn zorgteam en zijn familie bereiken. In één bericht werd gevraagd zijn hoofd hoger te houden als hij bezoek kreeg. Een ander vroeg om geen shirts, maar sokken aan voor de nacht.

“Hij gaf zelfs suggesties om de prestaties van zijn speller te verbeteren door ‘woordherkenning aan te zetten’ te spellen”, zeiden de auteurs ongeveer zes maanden na de implantatie. Binnen een jaar zei hij “Jongens, het werkt zo moeiteloos” tegen het team, en vroeg zijn vrouw om een lekker avondmaal van “Goulashsoep en zoete erwtensoep” in zijn voedingssonde.

Tragisch genoeg stond de tijd niet aan zijn kant. In de drie jaar sinds zijn implantatie vertraagde de communicatie en raakte steeds meer doorspekt met fouten, tot op het punt van volledige onbegrijpelijkheid.

Waarom dit gebeurde blijft een mysterie, maar experts denken dat dit waarschijnlijk komt door de vorming van littekenweefsel rond de elektroden, dat de signalen van de hersenen dempt. Hoewel de auteurs geen ontstekingen of infecties in het implantaatgebied hebben gemeld, is er altijd een risico.

Maar als pionier schetst de studie een nieuw begin voor mensen die vastzitten. Het is een hoge beloning met een extreem hoge verantwoordelijkheid: veel patiënten zijn in dit stadium mogelijk aan het einde van hun leven. Hoe zeker kunnen we zijn van een technologie die hun mening over behandelingen en medische beslissingen decodeert? Wat gebeurt er als het hersenimplantaat een gedachte verkeerd interpreteert die hun zorg impliceert? En op welk punt worden deze bruggen tussen de geest en de machine valse hoop voor dierbaren als de hersenen langzaam vervagen voor ziekten waarvoor geen genezing mogelijk is?

Voorlopig houdt de pittige patiënt zich daar niet mee bezig. Met het implantaat vroeg hij zijn vierjarige zoon om naar Disney’s te kijken Robin Hood, of “heks en tovenaar” op Amazon. ‘Ik hou van mijn coole zoon,’ zei hij met zijn hersens.

Krediet van het beeld: Wyss Centrum

Tijdstempel: 30 maart 2022