Boeken

Thursday, June 12, 2014

Verlamde doet WK-aftrap in exoskelet aangestuurd door breinchip

Tijdens de openingsceremonie van het WK voetbal werd de symbolische eerste aftrap gedaan door een aan zijn benen verlamde Braziliaanse 20-jarige man. Hij was gehuld in een exoskelet dat hij via een chip in zijn eigen brein aanstuurde. Dus door te denken aan het trappen tegen de bal, kwam het exoskelet in beweging. Dat liet zijn verlamde been tegen de bal trappen.




Ruim een jaar geleden interviewde ik de bedenker hiervan, neurowetenschapper Miguel Nicolelis, voor KIJK. Dit artikel verscheen in KIJK 7/2013.

Ik ontmoet Miguel Nicolelis tijdens een van de opwindendste weken in zijn loopbaan. Een paar dagen voor onze ontmoeting heeft hij in een toptijdschrift gepubliceerd dat volwassen ratten in een maand tijd infrarood licht leren waar te nemen, iets wat geen enkel zoogdier van nature kan. Dankzij een hersenchip die is gekoppeld aan een infraroodcamera op het voorhoofd van de ratten, krijgen de beesten als het ware een zesde zintuig. Nicolelis is de eerste ter wereld die via een breinprothese een nieuwe functie aan een levend wezen toevoegt.

Eind februari van 2013, een week na onze ontmoeting, publiceerde hij een nog spectaculairder resultaat. Twee ratten die allebei een breinimplantaat hebben, en waarvan de ene in Brazilië huist en de andere in de VS, kunnen via het internet direct van brein tot brein met elkaar communiceren. Een aloude science-fictiondroom begint werkelijkheid te worden: een netwerk van draadloos aan elkaar gekoppelde breinen.

De meeste tijd brengt Nicolelis momenteel echter door met het werken aan zijn WalkAgain-project. Hij wil de aftrap van het WK-voetbal in 2014 in Brazilië laten verrichten door een aan zijn benen verlamde Braziliaan. Het idee is om een hersenchip te koppelen aan een uitwendig skelet van kunstmatige benen: een exoskelet. Door te denken aan het trappen tegen een bal kan de verlamde het exoskelet in beweging zetten en daarmee de aftrap verrichten. Dat zou een geweldige stunt zijn. Een stunt die de opstap moet vormen naar exoskeletten die verlamde mensen verlossen van hun verlammingen.

Wat is de laatste stand van zaken met het WalkAgain-project?

“We testen momenteel prototypes van exoskeletten bij resusapen. Verder selecteren we een groep patiënten die verlamd is aan hun benen. Allemaal jong-volwassenen van tussen de 18 en 21 jaar die ergens in de afgelopen anderhalf jaar een dwarslaesie hebben opgelopen. Zowel de wereldvoetbalorganisatie FIFA als de Braziliaanse regering staan achter ons plan. Brazilië is een opkomende economie. De regering stopt veel geld in onderwijs en onderzoek. Ik hoop dat we de wereld gaan verbazen. Iedereen weet dat Brazilië het land van het voetbal is, maar niemand denkt er aan dat Brazilië ook het land kan zijn van een technologische revolutie die het leven van dertig miljoen mensen over de hele wereld kan verbeteren. Het wordt kort dag. Maar als we de aftrap van het WK voetbal niet halen, dan zijn er altijd nog de Olympische Spelen van 2016, die ook in Brazilië worden gehouden.”

[update 12 juni 2014: Alles lijkt erop dat het project gaat slagen en de aftrapt inderdaad verricht gaat worden door een verlamde jongeling in een exoskelet aangestuurd door zijn eigen gedachten]


Hoe gaan jullie de patiënten trainen?

“Dit jaar nog beginnen we om ze in een virtuele omgeving te trainen. Ze hebben dan nog geen exoskelet aan, maar kunnen via de breinchip een avatar op een scherm bewegen. Dat is een handige trainingsomgeving. Het idee is dat als ze dat goed onder de knie hebben, de stap naar het aansturen van een exoskelet klein is. Dat is ook gebleken uit onze experimenten met de apen. Eind dit jaar hopen we twee of drie prototypes van menselijke exoskeletten klaar te hebben.”

Wat moet ik me voorstellen bij zo’n exoskelet?

“Het exoskelet zit om de patiënt heen en is gemaakt van lichte, sterke materialen. Het combineert talloze nieuwe technologieën: voor het eerst wordt het bestuurd met een breinchip, voor het eerst wordt er een feedbacksignaal van het exoskelet naar de hersenen gestuurd, voor het eerst zit er een kunstmatige huid op het exoskelet en voor het eerst trainen we menselijke patiënten in een virtuele omgeving. De kunstmatige huid van het exoskelet bestaat uit buigbare elektronica die voorzien is van sensoren. Die kunstmatige huid kan de grond of de bal waarnemen. Dat signaal wordt naar het brein van de patiënt gestuurd. Zo zal de patiënt voelen wanneer zijn voet de grond of de bal raakt. Andere sensoren zitten in het exoskelet en registreren bijvoorbeeld de houding van de patiënt, zodat hij rechtop blijft lopen.”

Wat is de belangrijkste doorbraak geweest?

“Ongetwijfeld dat we sinds vorig jaar in staat zijn om de signalen van tweeduizend hersencellen tegelijk te registreren met een breinchip. In 1993 begonnen we met 26 hersencellen, in 2002 lukte het met 100 en in 2010 met 500. En van tweeduizend gaan we in de komende jaren toe naar tienduizenden hersencellen. Dat heeft grote gevolgen. Hoe meer hersencellen we kunnen afluisteren, hoe beter de patiënt controle krijgt over zijn exoskelet.”

Hoe lang duurt het voordat de patiënten controle hebben over het exoskelet?

“Dat zullen we nog moeten zien, maar bij apen duurde het twee tot drie weken voordat ze dachten dat de virtuele robotarm die ze via hun breinchip konden aansturen een deel van hun eigen lichaam was geworden. Dat was met slechts een uur training per dag. Op grond daarvan verwacht ik dat mensen binnen een paar dagen het been van het exoskelet als een eigen been gaan waarnemen.”

Wat zegt dat over het brein?

“Dat het ongelofelijk flexibel is. Zó flexibel dat het zelfs een nieuw zintuig aan kan leren, zoals we bij de ratten hebben laten zien. En zó flexibel dat het een avatar of een exoskelet als deel van het eigen lichaam kan gaan zien. Ik ben in de jaren negentig aan brein-machine-interfaces gaan werken om meer te begrijpen van het brein. In het begin hadden we geen idee dat ons werk gebruikt zou kunnen worden als een rehabilitatie-instrument. Dat idee kwam pas toen we een paar jaar bezig waren. Dankzij onze breinprotheses hebben we geleerd dat het brein werkt als een soort opiniepeiling. Als je vandaag en morgen een opiniepeiling doet, dat vind je vrijwel dezelfde uitkomst terwijl je de steekproef onder geheel verschillende mensen doet. Zo werkt het brein ook. Elke keer dat je bijvoorbeeld je onderarm naar je bovenarm buigt, dan is dat wel dezelfde beweging, maar in het brein vuurt telkens een andere verzameling hersencellen. Je brein doet als het ware telkens een nieuwe opiniepeiling. Dat is het mechanisme dat de flexibiliteit van het brein verklaart.”

Wanneer zien we de eerste mensen in exoskeletten rondwandelen?

“Wetenschappelijk gezien is de techniek van het aansturen van exoskeletten nu opgelost. We hebben de wiskundige rekenmethoden die breinsignalen vertalen naar het aansturen van een exoskelet. De problemen die nog voor ons liggen, zijn een kwestie van engineering. We moeten informatica, robotica en hersenonderzoek combineren op manieren die niemand eerder heeft gedaan. Exoskeletten moeten licht, robuust en betrouwbaar genoeg worden. Ik denk dat mijn generatie het einde van de rolstoel zal zien. Rolstoelen worden museumstukken. Ik denk dat we over tien jaar de eerste mensen in exoskeletten door de straat zien lopen.”

Droomde u als kind al van hersenchips?

“Toen ik kind was in de jaren zestig in Sao Paul, was ik gefascineerd door het Amerikaanse Apollo-programma om de eerste mens naar de maan te sturen. Dat heeft mij warm gemaakt voor de wetenschap. Daarnaast las ik veel science-fiction. Eén boek in het bijzonder raakte mij: ‘The Human Brain’, een vrij onbekend non-fictieboek van science-fictionschrijver Isaac Asimov. Als ik het boek nu zou lezen, dan zou ik teleurgesteld zijn over het statische beeld dat Asimov van het brein schetst, maar dat boek was mijn eerste kennismaking met de hersenwetenschappen.”

In uw eigen boek Beyond Boundaries schrijft u dat het u frustreert dat de collega-wetenschappers die uw wetenschappelijke artikelen beoordelen vrijwel altijd de toekomstspeculaties er uit verwijderen. Is het niet goed dat wetenschappers met de voeten aan de grond blijven en niks beloven wat ze niet binnen afzienbare tijd kunnen waarmaken?

“Als je het hebt over de geneeskunde, dan ben ik het er mee eens dat je mensen niet moet gaan beloven dat je deze of gene ziekte kunt genezen terwijl dat nog lang niet kan. Maar aan de andere kant hebben schrijvers als Arthur C. Clarke en Isaac Asimov miljoenen mensen de weg naar de wetenschap gewezen met hun science-fictionboeken. Ik denk dat wetenschappers vaak te conservatief zijn. Wetenschappers zijn niet anders dan andere mensen. Ze dromen over dingen die nu nog niet kunnen, maar in de toekomst misschien wel.”

Eén van die dromen is het brein-net. Wat is dat?

“Oké, dat is iets voor de verre toekomst. Het idee is dat je een soort internet van aan elkaar gekoppelde menselijke hersenen creëert. Elk brein heeft een breinchip. En via die breinchips kunnen hersenen direct met elkaar communiceren. De signalen worden via het internet rondgestuurd. Zo kunnen mensen met een ongekende snelheid met elkaar communiceren, zonder te praten of zonder te typen op een toetsenbord. Één gedachte kan miljoenen mensen tegelijk bereiken. Het wordt buitengewoon interessant om te zien hoe een brein al die informatie gaat verwerken. Onze doorbraak dat twee ratten direct van brein tot brein kunnen communiceren opent een geheel nieuw onderzoeksterrein.”

U voert het Walk Again-project bewust binnen een non-profitorganisatie uit. Waarom is dat?

“Een van mijn grootste zorgen is dat wetenschappers steeds meer onder druk worden gezet om bedrijven te beginnen. Dat creëert serieuze problemen. Wanneer een investeerder miljoenen in je bedrijf stopt, dan wordt het lastig om tegen die investeerder te zeggen dat je wetenschappelijke resultaten laten zien dat iets wat je eerder hebt beloofd toch niet blijkt te kunnen. Ik wil absoluut geen bedrijf beginnen. Ik wil vrij zijn om te publiceren wat de wetenschap mij leert. Maar in de VS, waar ik werk, wordt geld verdienen opgehemeld. Bedrijven als Google, Intel en Microsoft werken allemaal in het geheim aan brein-machine-interfaces, waarschijnlijk in de eerste plaats voor het communiceren met computers en het spelen van games. Ik heb mensen van grote bedrijven op bezoek gehad die wilden dat ik voor ze kwam werken. Ik heb tegen iedereen ‘nee’ gezegd. Ik weiger zelfs patenten aan te vragen op de dingen die we in ons lab uitvinden. Amerikanen begrijpen daar niets van. Maar ik help liever dertig miljoen mensen dan dat ik veel geld verdien. Ik ben nog steeds een Braziliaan. ”

Zijn er voor u grenzen aan wat hersenchips wel of niet mogen?

“In de loop van de geschiedenis verschuiven zulke grenzen voortdurend. Wie zijn wij om te zeggen wat mensen over honderd jaar wel of niet moeten accepteren? Ik zeg niet dat ik vóór borstimplantaten ben, maar feit is dat veel vrouwen ze om cosmetische redenen laten inbrengen. Als ik lezingen geef op middelbare scholen, dan zien de scholieren eerst allerlei filmpjes van wat er mogelijk is met hersenchips bij ratten en apen. Aan het eind vraag ik altijd: stel dat je zelf dankzij een hersenchip het computervoetbalspel FIFA 2015 altijd wint van je buurjongen of buurmeisje, zou je dan zo’n chip willen? Honderd procent van de tieners zegt dan ‘ja’.”


Wie is Miguel Nicolelis?

Miguel Nicolelis werd in 1961 in Sao Paulo (Brazilië) geboren. Hij studeerde geneeskunde en promoveerde in de fysiologie. In 1994 vertrok hij naar Duke University in de VS voor onderzoek in de neurobiologie. Daar ontwikkelde hij zich tot de pionier van brein-machine-interfaces. Hij was de eerste die een aap, dankzij een hersenchip, een robotarm via gedachten liet aansturen. Die techniek breidt hij nu zodanig uit dat geheel of gedeeltelijk verlamde mensen straks met hun gedachten een exoskelet kunnen aansturen. In 2011 publiceerde hij het boek ‘Beyond Boundaries’ over brein-machine-interfaces. Als ware Braziliaan is hij een groot voetbalfan.

Internet
Het Lab van Nicolelis: www.nicolelislab.net
Het WalkAgain-project: www.walkagainproject.org