Motorische BCI: hoe hersensignalen bewegingen worden
Stel je iemand voor die door een ongeluk of ziekte niets meer kan bewegen, maar in gedachten nog wel een arm kan optillen of een letter kan intypen. Een motorische brain-computer interface (BCI) is een systeem dat precies dat intact gebleven gedachte-signaal in de hersenen opvangt en vertaalt naar een opdracht voor een computer, robotarm of ander apparaat. De persoon denkt "beweeg de cursor naar rechts", en de cursor beweegt naar rechts, zonder dat er een spier aan te pas komt.
Vergelijk het met een tolk die tussen twee mensen staat die geen gemeenschappelijke taal spreken. De hersenen "spreken" in elektrische pulsjes van zenuwcellen, een computer "spreekt" in digitale signalen van enen en nullen. De BCI luistert mee met de hersencellen, herkent het patroon dat hoort bij een bepaalde bewegingsintentie, en vertaalt dat patroon naar een computerinstructie. Dit is vooral bedoeld voor mensen die door verlamming, een dwarslaesie, een beroerte of een ziekte als ALS hun lichaam niet meer kunnen aansturen, maar bij wie het brein zelf nog goed werkt.
Wat is het precies?
Elke gedachte aan een beweging begint in de motorische hersenschors, een strook hersenweefsel die als een soort commandocentrum voor spieren fungeert. Als je normaal je hand optilt, sturen zenuwcellen daar elektrische pulsjes naar het ruggenmerg en vervolgens naar de spieren. Bij een dwarslaesie is die verbinding onderbroken, maar het commandocentrum zelf werkt vaak nog gewoon: de intentie is er, alleen de doorgeleiding ontbreekt.
Een motorische BCI vangt die elektrische pulsjes op met elektroden, minuscule metalen contactpunten die spanningsveranderingen kunnen meten. Er zijn grofweg twee benaderingen. Bij de invasieve variant worden elektroden chirurgisch in of op de hersenen geplaatst, wat een sterker en preciezer signaal geeft omdat je dicht bij de zenuwcellen zit. Bij de niet-invasieve variant meet je via elektroden op de hoofdhuid (EEG, elektro-encefalografie), wat veiliger is maar een veel ruizeriger signaal oplevert omdat schedel en huid het signaal afzwakken.
De ruwe elektrische signalen zijn op zichzelf niet bruikbaar; ze moeten worden "vertaald". Daarvoor gebruikt men decodeeralgoritmes, vaak gebaseerd op machinaal leren (kunstmatige intelligentie die patronen leert herkennen in data). Het systeem wordt getraind door de gebruiker te vragen aan bepaalde bewegingen te denken, waarna het algoritme leert welk signaalpatroon bij welke intentie hoort. Na de trainingsfase kan het systeem in real time voorspellen wat iemand wil doen, en die voorspelling omzetten in een stuursignaal voor een cursor, robotarm, exoskelet (een steunend robotpak) of spraakcomputer.
Een belangrijk technisch obstakel is dat hersensignalen in de loop van weken tot maanden veranderen, onder meer doordat littekenweefsel rond het implantaat ontstaat. Systemen moeten daarom regelmatig herkalibreerd worden, en onderzoekers werken aan algoritmes die zich automatisch aanpassen aan die drift.
Wat wil men ermee bereiken?
Het primaire doel is functieherstel: mensen met een dwarslaesie, ALS (een ziekte die spieren geleidelijk verlamt), een beroerte of het zogeheten locked-in-syndroom (volledig bij bewustzijn maar vrijwel niet in staat te bewegen of spreken) weer een vorm van controle en communicatie teruggeven. Dat kan gaan om iets basaals als een cursor bedienen om een boodschap te typen, tot complexere doelen als een robotarm besturen om zelfstandig te eten of drinken.
Een tweede doelstelling is het herstellen van verloren verbindingen in het lichaam zelf, bijvoorbeeld door een hersenimplantaat draadloos te koppelen aan een stimulator bij het ruggenmerg, zodat iemand met een dwarslaesie weer eigen spieren kan aansturen in plaats van een extern apparaat.
Op de langere termijn dromen sommige onderzoekers en bedrijven van bredere toepassingen, zoals snellere of intuïtievere interactie tussen mens en computer voor een breder publiek. Dat is echter nog grotendeels toekomstmuziek; vrijwel alle huidige ontwikkeling en klinische goedkeuring richt zich op mensen met een ernstige functiebeperking, waarbij de risico's van hersenchirurgie opwegen tegen de potentiële winst.
Voorbeelden uit de praktijk
Het BrainGate-consortium, een samenwerking van onder meer Brown University, Massachusetts General Hospital en Stanford University, is een van de langst lopende onderzoeksprogramma's. In 2012 publiceerde het team in het tijdschrift Nature hoe een vrouw die door een hersenstamberoerte vrijwel volledig verlamd was, met een in de motorcortex geïmplanteerde elektrodenmatrix een robotarm bestuurde om zelfstandig koffie te drinken, een van de eerste sprekende demonstraties van een motorische BCI buiten het laboratorium.
In Nederland ontwikkelde het UMC Utrecht onder leiding van neurowetenschapper Nick Ramsey de Utrecht NeuroProsthesis. Een vrouw met ALS die door de ziekte volledig verlamd was geraakt, kreeg elektroden op het hersenoppervlak geïmplanteerd (elektrocorticografie, ECoG) en kon daarmee, zonder oogbeweging of spraak, letter voor letter woorden spellen op een scherm. De resultaten verschenen in 2016 in The New England Journal of Medicine.
Het bedrijf Neuralink van Elon Musk plaatste in januari 2024 zijn eerste implantaat bij een mens, Noland Arbaugh, die na een duikongeluk verlamd was vanaf de schouders. Met het systeem, bestaande uit een muntgroot implantaat (N1) dat door een chirurgische robot (R1) wordt geplaatst, kon hij met zijn gedachten een muiscursor bedienen en videogames spelen. Later in 2024 volgden meer proefpersonen.
Het bedrijf Synchron koos een andere, minder ingrijpende route: de Stentrode, een buisvormig elektrodenrooster dat via de bloedvaten (dus zonder open hersenoperatie) tot bij de motorcortex wordt opgeschoven. Proefpersonen in trials in Australië en de Verenigde Staten konden hiermee onder meer een tablet of smartphone bedienen.
Een ander opvallend voorbeeld combineert een hersenimplantaat met ruggenmergstimulatie: onderzoekers van NeuroRestore, verbonden aan de EPFL en het CHUV-ziekenhuis in Lausanne (Zwitserland), rapporteerden in 2023 in Nature over Gert-Jan Oskam, die na een fietsongeluk een dwarslaesie had. Een implantaat leest zijn intentie om te lopen af en stuurt dit draadloos naar een stimulator bij zijn ruggenmerg, waardoor hij weer zelfstandig kan staan en lopen.
Hoe ver is de techniek?
Motorische BCI's zijn nog experimenteel. Wereldwijd hebben in totaal enkele tientallen mensen een invasief BCI-implantaat gekregen, verspreid over verschillende onderzoeksprogramma's en bedrijven; van grootschalige, goedgekeurde medische toepassing is nog geen sprake. De meeste systemen vallen onder klinische trials met een beperkt aantal deelnemers, vaak begeleid door speciale toelatingstrajecten van toezichthouders zoals de Amerikaanse FDA.
De vooruitgang gaat wel snel, mede dankzij verbeteringen in kunstmatige intelligentie voor signaalverwerking, waardoor decodering nauwkeuriger en sneller wordt. Tegelijk blijven er stevige obstakels. Littekenvorming rond elektroden vermindert de signaalkwaliteit na verloop van tijd. Draadloze stroomvoorziening en dataoverdracht zijn technisch lastig te combineren met een klein, veilig implantaat. Chirurgie aan of in de hersenen brengt onvermijdelijk risico's met zich mee, zoals infectie of bloeding. En systemen die in het lab goed werken, moeten nog bewijzen dat ze jarenlang betrouwbaar functioneren in het dagelijks leven van een gebruiker.
Kortom: de bewijzen dat het principe werkt zijn overtuigend, maar de weg naar een breed beschikbaar, betaalbaar en langdurig betrouwbaar product is nog lang.
Wie werken eraan?
Naast de academische BrainGate-groep (Brown University, Massachusetts General Hospital, Case Western Reserve University, Stanford University) en het UMC Utrecht, zijn er verschillende commerciële spelers actief. Neuralink (Verenigde Staten) ontwikkelt een volledig geïmplanteerd, draadloos systeem. Synchron (Verenigde Staten/Australië) zet in op een minder invasieve, via bloedvaten geplaatste elektrode. Blackrock Neurotech (Verenigde Staten) levert de veelgebruikte Utah-array, een klein plaatje met microscopische naaldelektroden dat in veel onderzoeksprojecten wordt toegepast, en ontwikkelt eigen systemen. Precision Neuroscience, opgericht door een voormalig medeoprichter van Neuralink, werkt aan een dunne, minder diep doordringende elektrodefolie voor op het hersenoppervlak. Onward Medical, actief vanuit Nederland en Zwitserland, richt zich op de combinatie van hersensignalen met ruggenmergstimulatie, in samenwerking met onderzoekscentrum NeuroRestore (EPFL/CHUV, Lausanne). Ook diverse universiteiten in de Verenigde Staten, Europa en Australië doen onderzoek naar decodeeralgoritmes en elektrodetechnologie, vaak gefinancierd door nationale gezondheids- en wetenschapsfondsen.