Star Trek-technologie: brain-computerinterfaces in de gezondheidszorg

Op BCI-gebaseerde oplossingen kunnen helpen bij vroege detectie, diagnose en effectieve behandeling voor verschillende aandoeningen – zoals van verlamming, blindheid en epilepsie

  • Geavanceerd hersenimplantaat geeft mensen met een dwarslaesie mobiliteit en tastzin terug
  • Nieuw apparaat laat blinden weer ‘zien’
  • Brain-computer interface kan epileptische aanvallen voorspellen
  • Computerchip: de ultieme medische behandeling?

Een ontmoedigend groot aantal mensen krijgt te maken met verlammingsverschijnselen. Sterker nog, dit komt veel vaker voor dan eerder werd gedacht. Volgens het National SCI Statistical Center worden elk jaar bijna 18 duizend nieuwe dwarslaesies gerapporteerd in de VS. West-Europese landen maken elk jaar melding van 16 tot 19,4 nieuwe ongeval-gerelateerde dwarslaesies per miljoen inwoners. Wereldwijd krijgt meer dan een miljard mensen te maken met beperkingen als gevolg van verlamming. Dankzij de technologische vooruitgang kunnen de omstandigheden van deze mensen echter aanzienlijk verbeteren.

Volgens het 2020 onderzoeksrapport van Global Disabled and Elderly Assistive Technology Industry zijn de schattingen dat de wereldwijde markt voor ondersteunende technologie voor gehandicapten en ouderen tegen 2027 een waarde van $31,5 miljard zal bereiken. Medische hulpmiddelen en technologieën worden steeds geavanceerder. Met de oplossingen die al op de markt zijn – en die nog in laboratoria worden getest – zijn mensen met een beperking binnenkort minder afhankelijk van anderen en kan hun kwaliteit van leven enorm verbeteren.

Geavanceerd hersenimplantaat geeft mensen met een dwarslaesie mobiliteit en tastzin terug

Mensen die verlamd zijn kampen met verschillende bewegingsbeperkingen en zijn vaak volledig afhankelijk van verzorgers en/of medische hulpmiddelen. Hierdoor kunnen ze niet langer deelnemen aan activiteiten waar ze eerder van genoten, wat allerlei nadelige gevolgen heeft voor de kwaliteit van leven. Dit was bijvoorbeeld het geval met eerstejaarsstudent Ian Burkhart, die in 2010 een dwarslaesie opliep. Er was nog maar een beperkte hoeveelheid beweging in zijn schouder en biceps mogelijk en hij raakte zijn tastzin volledig kwijt. Na al die jaren heeft Burkhart zich enigszins kunnen aanpassen aan zijn nieuwe leven, maar hij stond er ook wel voor open om zich beschikbaar te stellen voor een ​experimentele ingreep. Hij besloot deel te nemen aan het NeuroLife-programma van Battelle, een in Ohio gevestigde, non-profit onderzoeksorganisatie, om het bewegingsbereik in zijn armen te verbeteren en om zijn tastzin weer terug te krijgen. “Mensen helpen om weer meer gezond en minder afhankelijk te worden van zorgverleners is een belangrijke stap in het verbeteren van de kwaliteit van leven”, aldus Justin Sanchez, een Battelle Life Sciences Technical Fellow. Ook al was er maar een kleine kans dat hij weer kon lopen of voelen wilde Burkhart de gok graag wagen. “Het was best een hele stap om te overwegen, maar ik wilde geen genoegen [meer] nemen met verlamming”.

In 2014 werd in het Wexner Medical Center van de Ohio State University een chip ter grootte van een rijstkorrel chirurgisch geïmplanteerd in de buurt van de primaire motorische cortex van Burkhart – waar neurale impulsen gegenereerd worden die naar het ruggenmerg gaan en het uitvoeren van bewegingen bestuurd wordt. Daar kon het kleine maar krachtige apparaatje elektrische signalen van de primaire motorische cortex volgen. Een paar slierten van de wervelkolomvezels van Burkhart waren achtergebleven en het gebruik van “zelfs dat kleine contingent vezels leidt tot een redelijk signaal in de hersenen”, vertelt Patrick Ganzer, een neurowetenschapper bij Battelle. Het team haalde die zwakke signalen uit de hersenen, ontcijferde hun betekenis en stuurde ze door naar de ledematen, waarbij de wervelkolom werd omzeild en de hersenen en het lichaam opnieuw met elkaar werden verbonden.

Zes jaar na de implantatie van de chip kan Burkhart objecten voelen en heeft hij voldoende controle over zijn arm om videogames als Guitar Hero te spelen. “Toen de chip in 2014 werd geplaatst, wisten we niet dat de signalen die verband houden met tastzin na de verlamming nog konden worden waargenomen. Burkhart heeft een zeer ernstige dwarslaesie, waardoor tastsignalen de hersenen normaliter niet zouden moeten kunnen bereiken”. Het experiment heeft echter aangetoond dat er, ongeacht de ernst van de dwarslaesie, nog steeds een grote kans bestaat dat verlamde mensen in de toekomst weer kunnen bewegen en dat hun tastzin hersteld kan worden.

Nieuw apparaat laat blinden weer ‘zien’

BCI-tech kan ook mensen met een visuele beperking helpen, al zijn de mogelijkheden op dit gebied nog niet zo verfijnd als die voor mensen met een dwarslaesie. Wereldwijd zijn er meer dan 2 miljard mensen die kampen met een visuele beperking of blindheid. Dit aantal zou in de toekomst echter snel kunnen afnemen dankzij enkele recente innovatieve technologische ontwikkelingen. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Miguel Hernandez de Elche in Spanje heeft bijvoorbeeld een 100-elektrode-implantaat ontwikkeld voor plaatsing in de visuele cortex.

De eerste patiënt waarbij dit apparaatje geïmplanteerd werd was Bernadeta Gómez, een 57-jarige vrouw die al 15 jaar blind is. Op 42-jarige leeftijd kreeg ze de diagnose toxische optische neuropathie, een aandoening die de verbinding tussen de hersenen en de ogen verbreekt. Maar nu heeft ze dankzij het implantaat weer wat ‘gezichtsvermogen’ terug. Het systeem bestaat uit een bril met een kleine camera die de omgeving van de drager vastlegt. De camera stuurt live video naar een computer die de beelden omzet in elektrische signalen. De signalen worden vervolgens naar de visuele cortex gestuurd, waar ze een ruw beeld creëren.

Gomez ‘ziet’ de wereld nu door middel van fosfenen – het fenomeen van licht zien zonder dat er daadwerkelijk licht in het oog komt. Afbeeldingen die op deze manier in de visuele cortex worden gemaakt hebben echter zeer lage resolutie – ongeveer 10×10 pixels – wat niet hoog genoeg is om de details van bijvoorbeeld een gezicht te kunnen waarnemen. Door ook gezichtsherkenningssoftware toe te passen en de corresponderende fosfenen naar de hersenen van Gomez te sturen, leerde ze deze echter te associëren met de beelden van specifieke personen.

Een nadeel van het implantaat is dat het na verloop van tijd afbreekt in het levende weefsel, wat betekent dat het maar een beperkte tijd in de cortex kan blijven zitten. Toch zou het apparaatje miljoenen blinde mensen op zijn minst een beetje hoop kunnen bieden. Neuro-engineer Eduardo Fernandez, die het onderzoek leidde, zegt: “We hopen [in de toekomst] een systeem te hebben dat mensen praktisch kunnen gebruiken, maar op dit moment zijn we alleen nog met experimenten bezig”.

Brain-computer interface kan epileptische aanvallen voorspellen

Een beperking kan de levenskwaliteit op allerlei manieren nadelig beïnvloeden. Epilepsie, bijvoorbeeld, een van de meest voorkomende neurologische aandoeningen, kan mensen van alle leeftijden treffen. Epilepsie kan door een ziekte of ongeval veroorzaakt worden, maar ook aangeboren zijn. Maar liefst 50 miljoen mensen over de hele wereld lijden aan epilepsie. Als de diagnose vroeg wordt gesteld en de aandoening op de juiste manier wordt behandeld, kan de aandoening goed onder controle gebracht worden en kunnen mensen zelfs aanvalsvrij worden. Helaas is het zo dat ongeveer “driekwart van de mensen met epilepsie die in lage-inkomenslanden leven niet de behandeling krijgt die ze nodig hebben”. Daarnaast is het risico op vroegtijdig overlijden bij mensen met epilepsie drie keer hoger dan bij gezonde mensen.

In 2018 maakt het in Californië gevestigde medische technologiebedrijf NeuroPace Inc. de lancering van het next-gen responsive neurostimulation (RNS)-systeem bekend. Na jarenlange ontwikkeling van de technologie is het apparaat – dat gebruikmaakt van BCI – zo ontworpen dat het de hersengolven van de patiënt continu monitort om unieke patronen te ontdekken. Hiermee kunnen patiënten hun eigen aanvalspatronen leren kennen, waardoor ze een aanval kunnen voorkomen. Dit wordt gedaan met behulp van onmerkbare elektrische pulsen waar het apparaat mee reageert. Frank Fischer, CEO van NeuroPace, is optimistisch en deelt zijn enthousiasme over de prestaties van het bedrijf. “De lancering van dit next-gen RNS-systeem is het bewijs van onze aanhoudende focus op productinnovatie. Volgens de National Epilepsy Foundation ontwikkelt 1 op de 26 Amerikanen tijdens hun leven epilepsie en komen er jaarlijks ongeveer 150.000 nieuwe gevallen bij. Naar schatting leven 3 miljoen Amerikanen momenteel met epilepsie. Een derde van deze patiënten blijft zelfs ondanks het gebruik van medicatie aanvallen krijgen. Het RNS-systeem is een bewezen behandeloptie voor personen van 18 jaar of ouder die partieel beginnende aanvallen hebben waar medicatie geen of onvoldoende effect op heeft”.

Nog meer goed nieuws van het bedrijf is dat hun RBS-systeem, een hersengevoelig neurostimulatiesysteem dat ontworpen is om aanvallen te voorkomen bij volwassenen die ongevoelig zijn voor anti-epilepsiemedicatie, eindelijk goedgekeurd is door de FDA voor MRI-etikettering. Voor patiënten betekent dit dat ze erin geslaagd zijn “een potentiële barrière weg te nemen, waardoor meer patiënten toegang kunnen krijgen tot deze levensveranderende therapie”.

Computerchip: de ultieme medische behandeling?

Hoewel chips minuscuul klein zijn – niet groter dan een rijstkorrel – kunnen ze extreem krachtig zijn. Ze kunnen mensen met een dwarslaesie helpen hun mobiliteit en tastzin terug te krijgen en mensen die worstelen met een visuele beperking helpen om hun gezichtsvermogen (enigszins) te herstellen. Op BCI gebaseerde systemen zijn ook effectief gebleken bij de behandeling van aandoeningen als epilepsie, wat vooral belangrijk is voor degenen die niet optimaal reageren op bestaande medische behandelingen. Op BCI gebaseerde oplossingen kunnen overigens worden gebruikt voor diverse andere (hersen)aandoeningen, waaronder de ziekte van Alzheimer, en kunnen helpen bij vroege detectie, diagnose en de ontwikkeling van zeer effectieve behandelingen. Welkom in de toekomst, waar de ultieme medische behandeling wel eens een computerchip zou kunnen zijn.

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Trendwatcher, futurist en internationaal topspreker Richard Van Hooijdonk neemt je mee naar een inspirerende toekomst die leven, werken en ondernemen drastisch gaat veranderen.

Alle Lezingen