Brain-machine-interfaces waren ooit science fiction. Maar de technologie - die directe communicatie tussen de hersenen van een persoon of dier en een extern apparaat of een ander brein mogelijk maakt - heeft het afgelopen decennium een lange weg afgelegd.
Wetenschappers hebben interfaces ontwikkeld waarmee verlamde mensen letters op een scherm kunnen typen, iemand de hand van een ander met zijn of haar gedachten kunnen laten bewegen en het zelfs mogelijk maakt voor twee ratten om gedachten uit te wisselen - in dit geval de kennis over het oplossen van een bepaalde taak - wanneer ze zich in laboratoria duizenden kilometers van elkaar bevinden.
Nu heeft een team onder leiding van Miguel Nicolelis van de Duke University (de wetenschapper achter het gedachte-handelssysteem voor ratten, onder andere hersen-machine-interfaces) een nieuwe opstelling gecreëerd waarmee apen twee virtuele armen kunnen besturen door eenvoudigweg te denken aan het verplaatsen van hun echte armen . Ze hopen dat de technologie, onthuld in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Science Translational Medicine, op een dag zou kunnen leiden tot vergelijkbare interfaces waarmee verlamde mensen robotarmen en -benen kunnen bewegen.
Eerder hadden het team van Nicolelis en anderen interfaces gemaakt waarmee apen en mensen één arm konden bewegen op een vergelijkbare manier, maar dit is de eerste technologie waarmee een dier meerdere ledematen tegelijkertijd kan bewegen. "Bimanuele bewegingen in onze dagelijkse activiteiten - van typen op een toetsenbord tot het openen van een blikje - zijn van cruciaal belang, " zei Nicolelis in een persverklaring. "Toekomstige hersen-machine-interfaces gericht op het herstellen van de mobiliteit bij mensen zullen meerdere ledematen moeten bevatten om ernstig verlamde patiënten ten goede te komen."
Net als de vorige interfaces van de groep, vertrouwt de nieuwe technologie op ultradunne elektroden die chirurgisch zijn ingebed in de hersenschors van de hersenen van apen, een hersengebied dat onder andere vrijwillige bewegingen regelt. Maar in tegenstelling tot veel andere hersenmachine-interfaces, die elektroden gebruiken die hersenactiviteit in slechts een handvol neuronen volgen, registreerde Nicolelis 'team activiteit in bijna 500 hersencellen verdeeld over een reeks cortexgebieden in de twee resusapen die proefpersonen waren voor deze studie.
Vervolgens zetten ze in de loop van een paar weken de apen herhaaldelijk voor een monitor, waar ze een paar virtuele armen vanuit een first-person perspectief zagen. Aanvankelijk bedienden ze elk van de armen met joysticks en voltooiden ze een taak waarbij ze de armen moesten bewegen om bewegende vormen te bedekken om een beloning te ontvangen (een smaakje sap).
Terwijl dit gebeurde, registreerden de elektroden de hersenactiviteit in de apen die correleerde met de verschillende armbewegingen, en algoritmen analyseerden deze om te bepalen welke specifieke patronen in neuronactivering in verband werden gebracht met wat voor soort armbewegingen - links of rechts, en vooruit of achteruit .
Uiteindelijk, zodra het algoritme de beoogde armbeweging van de aap op basis van de hersenpatronen nauwkeurig kon voorspellen, werd de opstelling gewijzigd zodat de joysticks niet langer de virtuele armen bedienden - de gedachten van de apen, zoals vastgelegd door de elektroden, hadden in plaats daarvan de controle. Vanuit het perspectief van de apen was er niets veranderd, omdat de joysticks nog steeds voor hen werden geplaatst en de controle was gebaseerd op hersenpatronen (met name hun eigen bewegende armen) die ze toch produceerden.
Binnen twee weken realiseerden beide apen zich echter dat ze hun handen niet echt hoefden te bewegen en de joysticks hoefden te manipuleren om de virtuele armen te bewegen - ze hoefden er alleen maar aan te denken. In de loop van de tijd werden ze steeds beter in het besturen van de virtuele armen via deze machine-herseninterface, en uiteindelijk deden ze het net zo effectief als ze de joysticks hadden verplaatst.
Toekomstige vooruitgang in dit soort interface kan enorm waardevol zijn voor mensen die de controle over hun eigen ledematen hebben verloren als gevolg van verlamming of andere oorzaken. Naarmate high-tech bionische ledematen zich blijven ontwikkelen, kunnen dit soort interfaces uiteindelijk de manier zijn waarop ze dagelijks worden gebruikt. Een persoon met een dwarslaesie, bijvoorbeeld, zou kunnen leren hoe hij zich effectief kan voorstellen twee armen te bewegen, zodat een algoritme zijn of haar hersenpatronen kan interpreteren om twee robotarmen op de gewenste manier te bewegen.
Maar hersen-machine-interfaces kunnen op een dag ook een veel bredere populatie bedienen: gebruikers van smartphones, computers en andere consumententechnologie. Bedrijven hebben al headsets ontwikkeld die je hersengolven in de gaten houden, zodat je een personage in een videogame kunt verplaatsen door er alleen maar aan te denken, in wezen je hersenen als joystick gebruiken. Uiteindelijk zijn sommige ingenieurs van mening dat hersen-machine-interfaces ons in staat zouden kunnen stellen om tablets te manipuleren en draagbare technologie zoals Google Glass te besturen zonder een woord te zeggen of een scherm aan te raken.
