We begrijpen steeds beter wat er in onze hersenen gebeurt. Kunnen we met die kennis ook de communicatie verbeteren tussen mens en machine?
“Neem iemand die in de Schiphol-controletoren werkt”, geeft cognitiewetenschapper Peter Hagoort als voorbeeld. “Hij moet de planning in de gaten houden. Wanneer mag welk vliegtuig opstijgen of landen? Heel geconcentreerd werk. Maar als hij lichamelijk of geestelijk vermoeid is, dan lukt dat niet goed. Zelf hoeft hij dat niet altijd in de gaten te hebben. Als je nu op de werkplek zijn hersenactiviteit meet, dan kun je op tijd waarschuwen wanneer deze persoon niet meer in staat is geconcentreerd zijn werk te doen.”
Het meten van de cognitieve belasting ziet Hagoort als een veelbelovende toepassing van mens-machine-interactie. Toepasbaar in allerlei beroepen die grote concentratie vereisen, en waarvan we weten dat het door een gebrek daaraan soms misgaat.
Professor Peter Hagoort is directeur van het centrum voor cognitieve neuro-imaging van het Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour in Nijmegen. Hij is ook een van de leden van een stuurgroep die in opdracht van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek (STT) onderzocht hoe we de toenemende hersenkennis ook buiten de geneeskunde kunnen toepassen. Op 28 oktober wordt het resultaat van deze verkenning – de Engelstalige publicatie Brain Visions – How the neurosciences could change the way we eat, communicate, learn and judge – aangeboden aan minster Plasterk van Onderwijs, Cultuur en Wetenschappen. Mens-machine-interactie is een van de vier maatschappelijke thema’s die aan bod komen, naast onderwijs, voeding en justitie.
Centrale vragen over hoe het brein de machine een hand kan reiken: Kunnen we apparaten slimmer maken door de kennis van onze hersenen te gebruiken? Kunnen we signalen uit de hersenen gebruiken om apparaten aan te sturen? Kunnen we interfaces tussen en mens en machine verbeteren, om vervolgens weer ons eigen leven te vergemakkelijken?
Spitsuur in het brein
Te midden van een breed pallet aan toepassingsmogelijkheden die in Brain Visions kort de revue passeren, beschouwt Hagoort er twee als het meest veelbelovend: een mobiel apparaat dat meet hoe druk het brein bezet is, en een hersenchip waarmee iemand via gedachten een computer of een prothese kan aansturen.
“Hersenen reageren als je iets ziet, hoort, voelt, proeft of ruikt”, vertelt Hagoort over de eerste toepassing. “Maar ook zonder die externe prikkels zijn de hersenen voortdurend bezig. De laatste jaren hebben we steeds meer inzicht gekregen in deze achtergrondactiviteit. Achtergrondactiviteit vormt zelfs het merendeel van de hersenactiviteit, ook als we externe prikkels verwerken. Met een mobiel apparaat dat meet hoe druk het brein bezet is, kun je registreren of iemand in de Schiphol-controletoren wel in staat is tot optimale informatieverwerking.”
Om te meten of het al dan niet spitsuur is in het brein, kan het EEG-signaal worden gebruikt – een meting waarvoor geen logge, niet-verplaatsbare hersenscanner nodig is. Bij de klassieke EEG plaats je namelijk elektroden op iemands schedel, en meet je de elektrische stroompjes die het gevolg zijn van de elektrische communicatie tussen hersencellen. De gemeten stroompjes worden omgezet in een grafiek met een golvend patroon: een optelsom van golven met frequenties tussen 1 en 100 hertz. De karakteristiek van die golven vertelt iets over wat er in de hersenen gebeurt. Hagoort: “We weten bijvoorbeeld dat als je sterkere golven bij een bepaalde frequentie ziet – alfagolven – de hersenen minder open staan voor externe prikkels.”
Over de interpretatie van het EEG-signaal is redelijk wat bekend, maar voordat een bedrijf een cognitieve belastingsmonitor kan ontwikkelen, is nog wel wat onderzoek nodig, zegt Hagoort. “Je moet bijvoorbeeld definiëren welk belastingsniveau je niet meer acceptabel vindt. Bovendien zou je een soort helm moeten ontwikkelen die iemand alleen maar hoeft op te zetten, waarna de cognitieve belasting vervolgens snel online wordt geanalyseerd. Je wilt niet dat iemand eerst een kwartier lang stil moet zitten om zich elektroden op zijn hoofd te laten plakken.”
Monitoren of het al dan niet spitsuur is in het brein kan ook worden gebruikt om apparaten of interfaces aan te passen. Een soort van neuro-ergonomie. Zo hebben recente neuro-imagingstudies laten zien dat zelfs handsfree bellen in de auto de aandacht voor wat er op de weg gebeurt, verlaagt met bijna veertig procent. “Meer algemeen is de vraag waar de grens ligt tussen een acceptabele hoeveelheid informatie en een overvloed”, zegt Hagoort. “Een chauffeur moet tegenwoordig niet alleen op de weg letten, maar heeft vaak ook een navigatiesysteem, een geavanceerd visueel bedieningspaneel en mogelijkheden om te bellen, en radio of muziek te beluisteren.”
Aansturen via gedachten
De hersenchip is volgens Hagoort de tweede veelbelovende toepassing op het terrein van de mens-machine-interactie. Via een hersenchip kan iemand met een verlamming via zijn gedachten bijvoorbeeld een robotarm aansturen of een computer bedienen. Zo kreeg de door een steekpartij verlamd geraakte Amerikaan Matthew Nagle in 2004 een chip in zijn hersenen geïmplanteerd. De chip was een halve centimeter breed en bevatte 96 micro-elektroden. De gemeten hersenactiviteit werd naar een externe computer geleid. Nagle mocht het een jaar proberen. Na training kon hij met zijn gedachten de cursor op een computerscherm aansturen en zo bijvoorbeeld een tv bedienen of e-mail checken. Denken wordt zo rechtstreeks in doen omgezet.
Hoewel het onderzoek al concrete resultaten heeft opgeleverd, liggen er nog flinke hobbels op de weg. Het grootste probleem is om levende hersencellen goed contact te laten maken met een niet-levende chip. Levend weefsel houdt niet zo van contact met niet-biologische materialen. De grote uitdaging is om een langdurige, stabiele verbinding tussen hersencelen en een chip te maken; eentje die niet te lijden heeft onder weefselschade of loslatende neuronen.
Stukje bij beetje wordt er wel vooruitgang geboekt om dode met levende materie te laten praten. Begin 2007 werd in de VS een siliciumchip in een deel van het geheugensysteem van een rat geïmplanteerd. Het was de eerste keer dat een chip niet alleen signalen uit de hersenen ontvangt, maar ook zorgvuldig berekende signalen terugstuurt. De chip gedraagt zich zo een soort elektronische bypass in de hersenen. Zo wordt onderzocht of zo’n chip misschien ooit geheugendefecten kan herstellen.
Daarnaast staat de wetenschap nog voor de uitdaging om hersensignalen juist te interpreteren. Vier postdoconderzoekers houden zich er binnen Hagoorts instituut mee bezig. Ze worden betaald door BrainGain: een consortium waarin universiteiten (Nijmegen, Maastricht, Utrecht, Twente) samenwerken met industriële partners (Philips, Siemens en diverse MKB-bedrijven) en met TNO om hersenkennis dichter bij de markt te brengen.
Een van deze postdocs onderzoekt de mogelijkheid om afasiepatiënten te helpen met een spraakapparaat. Hagoort: “Iemand met een bepaalde vorm van afasie weet bijvoorbeeld wel de betekenis van het woord ‘tafel’ of ‘stoel’, maar op het moment dat hij het wil uitspreken, kan hij niet het juiste klankjasje vinden. Door de patiënt bijvoorbeeld dertig objecten voor te leggen, die hij zeker kent, en het EEG-signaal te meten bij elk van de voorwerpen, hopen we uit de karakteristiek van het signaal af te leiden of iemand bijvoorbeeld ‘tafel’ wil zeggen of ‘stoel’. Als dat lukt, dan kunnen we het hersensignaal aan een spraaksynthesizer koppelen, en zo het bedoelde woord laten horen.”
Patroonherkenning
Een gewaagd idee voor een nieuw soort mens-machine-interactie, is om het sterke punt van het menselijke visuele systeem – patroonherkenning – te combineren met het sterke punt van computers – het verwerken van grote hoeveelheden gegevens zonder een spoor van vermoeidheid. Beeld- en videodatabases groeien jaarlijks exponentieel, dus de vraag naar snelle en slimme beeldanalysesystemen is groot. Onderzoekers van de Amerikaanse Columbia University lieten eerder dit jaar zien dat een integratie van menselijke en computervisie het mogelijk maakt snel door grote hoeveelheden plaatjes te scannen, op zoek naar specifieke situaties.
Zo lieten ze 2500 foto’s van openluchtsituaties aan vijf proefpersonen zien, elke foto niet langer dan vijftig milliseconde. De proefpersonen moesten letten of er wel of niet een persoon op de foto’s stond, terwijl ondertussen het EEG-signaal werd gemeten. Het is bekend dat als een persoon een opvallend element waarneemt, er driehonderd milliseconde later een piek in het EEG opduikt: de P300. Deze treedt op nog voor de persoon zich bewust is van het opvallende element, en dus ook nog voor hij de tijd heeft om bijvoorbeeld op een knop te drukken. Het meten van een P300 is in dit experiment dan een goede aanwijzing voor een foto waarop een mens is afgebeeld. Achteraf kan de proefpersoon dan controleren of dat ook werkelijk zo is. Al met al gaat dit veel sneller dan wanneer de proefpersoon alle 2500 foto’s een voor een bewust moet beoordelen. De detectienauwkeurigheid bleek uit te komen op 92%.
Het opmerken van een persoon in zo’n buitenhuisscène is voor een computer heel lastig, maar voor een mens gemakkelijk. Aan de andere kant kan de computer wel snel in een grote hoeveelheid foto’s bijvoorbeeld de nachtscènes van de dagscènes onderscheiden. De onderzoekers van Columbia University ontwikkelden daarom een systeem dat de kracht van beide combineert: C3 Vision (Cortically Coupled Computer vision system). Toepassingen kunnen bijvoorbeeld liggen in de analyse van de beelden van bewakingscamera’s.
Neurofeedback
Een ander terrein waarop veel onderzoek gebeurt, is dat van de neurofeedback. Uit experimenten is gebleken dat iemand zijn eigen hersenactiviteit via training deels kan controleren door zich bewust te worden van zijn eigen hersenactiviteit. De feedback komt van een computer die als beloning bijvoorbeeld een muziekje laat horen wanneer de gemeten hersengolven de gewenste frequentie vertonen. Bij de verkeerde frequentie volgt er geen beloning.
Wellicht dat neurofeedback gebruikt kan worden voor de behandeling van epilepsie of ADHD. Daarnaast wordt onderzocht of neurofeedback ook de cognitieve prestaties van gezonde personen kan verbeteren, bijvoorbeeld een beter werkgeheugen. De experimenten op deze terreinen hebben echter nog verre van overtuigende resultaten laten zien, hoogstens lichte aanwijzingen van positieve effecten. Hagoort bekijkt ze dan ook kritisch: “Er is een hele neurofeedback-business ontstaan waar fors geld wordt gevraagd voor producten waarvan de resultaten dubieus zijn. Er zit een hoop onzin bij. Neurofeedback biedt een aantal interessante mogelijkheden, maar is zeker geen panacee voor alle kwalen. We weten helemaal nog niet hoe kwalen als ADHD of autisme gerelateerd zijn aan de karakteristieken van een EEG-signaal.”
De neuro- en cognitiewetenschappen bieden allerlei kansen om de mens-machine-interactie te verbeteren, maar we moeten ook geen overspannen verwachtingen wekken, besluit Hagoort. “Het brein is zo complex, dat je niet moet verwachten dat als je het woord ‘neuro’ ergens voorzet, je ook meteen een product hebt en elk probleem kunt oplossen.”
Biografie Peter Hagoort
Naam: Peter Hagoort
Leeftijd: 54
Titels: prof. dr.
Opleiding: psychologie en biologie aan de Universiteit van Utrecht. Experimentele psychologie aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Promotie in 1990 aan de Radboud Universiteit Nijmegen.
Functie: Hoogleraar cognitieve neurowetenschappen aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Directeur van het centrum voor cognitieve neuro-imaging van het Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour in Nijmegen en eveneens van het Max Planck Instituut voor Psycholinguïstiek. In 2005 won hij de NWO-Spinozaprijs, de hoogste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland.
Internet
Meer info over het project ‘Beelden van het Brein’ (BrainVisions): www.stt.nl
Het Nederlandse onderzoeksconsortium BrainGain: www.nici.ru.nl/braingain/
