211service.com
Hersen kracht
In een klein laboratorium aan de Brown University in Providence, RI, zit een resusaap in een stoel tegenover een computerscherm en grijpt hij het handvat vast van een apparaat dat veel lijkt op de helmstok van een zeilboot. Op dit moment gebruikt de aap dit apparaat alsof het een computerjoystick is om een eenvoudig videospel te besturen: er verschijnt een gekleurde stip op het scherm en het dier beweegt de cursor om het te ontmoeten. Zodra het dier echter goed is in de taak, zullen de onderzoekers in de aangrenzende kamer een schakelaar omzetten en zullen het signalen zijn die rechtstreeks uit de hersenen van de aap komen, niet de bewegingen van de joystick, die de cursor aandrijven.
Deze griezelige prestatie is mogelijk omdat de onderzoekers, onder leiding van Brown-neurowetenschapper John Donoghue, een kleine reeks elektroden in de hersenen van de aap hebben geïmplanteerd. De elektroden onderscheppen signalen van individuele neuronen in de hersenen en een speciaal ontwikkeld computeralgoritme vertaalt deze signalen in banen en snelheden voor de computercursor. De ambities van de onderzoekers reiken echter veel verder dan apen die videogames spelen. Hun hoop is dat hun hersen-machine-interfacesysteem patiënten die verlamd zijn door ruggenmergletsel of neurodegeneratieve ziekten nieuwe mogelijkheden zal geven om met de wereld om hen heen om te gaan - met niets meer dan de kracht van hun gedachten.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van april 2002
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
Donoghue en zijn team lanceerden Cyberkinetics in juni 2001 om die visie na te streven. Het bedrijf is een van de eersten die voortkwam uit onderzoek naar hersen-machine-interfaces, dat tot nu toe voornamelijk is gedegradeerd tot een handvol academische laboratoria over de hele wereld ( zie Brain-Machine Interfaces , KINDEREN januari/februari 2001 ). En hoewel er nog veel moet worden ontwikkeld, zou een systeem als Cyberkinetics dat rechtstreeks in de hersenen tapt, in theorie verlamde patiënten de middelen kunnen geven om computers, robothulpmiddelen en misschien zelfs hun eigen spieren te besturen. Cyberkinetics streeft ernaar om die theorie tegen het einde van dit jaar op mensen te testen.
In de apenstudies die de weg zullen effenen voor de menselijke tests, richt het bedrijf, waaronder medeoprichters Nicholas Hatsopoulos van de Universiteit van Chicago, Brown MD/PhD-student Mijail Serruya en Gerhard Friehs, een neurochirurg in het Rhode Island Hospital in Providence, zich op het gebied van de hersenen dat commando's geeft aan de arm van de aap. Friehs begint met het implanteren van een vier millimeter vierkante reeks van 100 elektroden in dit gebied, dat zich in de buitenste laag van de hersenen bevindt, ongeveer halverwege tussen het oor en de bovenkant van de schedel. Na de operatie slingert een kleine bundel draden uit de array door een gat in de schedel van het dier; die draden zijn aangesloten op een computer en voeden de elektrische signalen die worden gegenereerd door neuronen die nabij elke elektrode in de machine schieten.
Hatsopoulos zit achter die computer terwijl de aangesloten aap een videogame oefent in de volgende kamer. De hersenactiviteit die door de array wordt opgepikt, flitst over het scherm als een wirwar van hyperkinetische ECG-achtige grafieken; hoorbaar gemaakt door de luidsprekers van de computer, knappen, knetteren en knallen hersensignalen als Rice Krispies in melk. Hatsopoulos zet het volume hoger. Daar word ik nooit moe van, zegt hij. Dit is net als het lezen van de geest, het afluisteren van cellen in de hersenen terwijl de aap aan iets denkt. Patroonherkenningssoftware vist de signaalpieken - die elk een enkele afvuren van een enkel neuron vertegenwoordigen - uit het achtergrondgeluid van de hersenen en correleert ze met de positie van de arm van de aap. Het verbazingwekkende, zegt Donoghue, is dat je heel snel een idee kunt krijgen van de activiteit van de neuronen en het traject van de hand kunt extraheren. Inderdaad, met slechts drie minuten aan gegevens van de videogame-oefening, kan de computer een model bouwen dat in staat is om de armbewegingen van de aap te extrapoleren op basis van alleen het hersensignaal. Zodra het model is verfijnd, kan de computer het hersensignaal gebruiken om in realtime een cursor of een robotarm aan te sturen.
Dergelijke veelbelovende resultaten maken deel uit van wat de onderzoekers inspireerde om Cyberkinetics te lanceren en naar klinische proeven te streven. We weten al zoveel; laten we het nu gaan gebruiken, zegt Serruya. De deelnemers aan de eerste menselijke tests van Cyberkinetics zullen opgesloten patiënten zijn die, als gevolg van een verwonding, beroerte of neurologische aandoening, volledig verlamd zijn, zelfs niet in staat om te communiceren, behalve via subtiele bewegingen van hun ogen. In die eerste proeven zal het bedrijf de elektrode-array implanteren, vervaardigd door Salt Lake City, UT-gebaseerde Bionic Technologies, maar de signaalverwerkingshardware en voeding zullen buiten het lichaam blijven. Als die eerste menselijke tests de belofte van de apenexperimenten waarmaken, is het bedrijf van plan de technologie verder te ontwikkelen om een volledig implanteerbaar apparaat te creëren.
Tot op heden heeft slechts één bedrijf menselijke tests uitgevoerd van een hersenregistratie-implantaat met als doel de functie te helpen herstellen bij verlamde patiënten: Atlanta, GA-based Neural Signals. In plaats van een elektrode-array implanteert het bedrijf twee neurotrofe elektroden: glazen buisjes met kleine draadjes en een stof die hersencellen stimuleert om in de apparaten te groeien. Neuroloog en Neural Signals-oprichter Philip Kennedy zegt dat de onderzoeken, die in 1997 zijn begonnen, langzamer gaan dan hij aanvankelijk had gehoopt, maar dat het bedrijf tegen het einde van het jaar duidelijke resultaten zou moeten hebben. Cyberkinetica-onderzoekers zijn echter van mening dat het implanteren van 100 elektroden in plaats van slechts twee hun systeem robuuster zal maken en het in staat zal stellen meer informatie uit de hersenen te verzamelen.
Hoewel recent werk op het gebied van hersen-machine-interfaces bemoedigend is, blijven er enkele belangrijke hindernissen bestaan, zegt William Heetderks, hoofd van het Neural Prosthesis Program van de National Institutes of Health, dat helpt bij het financieren van onderzoek naar hersen-machine-interfaces. Misschien wel de grootste uitdaging, zegt Heetderks, is het bouwen van een interface tussen het opnameapparaat (een stijf stuk hardware) en de hersenen (een squishy massa die in cerebrospinale vloeistof drijft) die tientallen jaren zijn precieze positie zal behouden, ondanks kleine bewegingen van de hersenen . Terwijl de apparaten van zowel Kennedy als Donoghue vooruitgang op dat front vertegenwoordigen - Kennedy's door cellen aan te moedigen in het apparaat te groeien en de verbinding te stabiliseren, denkt Donoghue door de hersenen vast te pakken zoals golfschoenen natte aarde vastgrijpen - Heetderks denkt dat uiteindelijk een combinatie van benaderingen nodig kan zijn . Op dit moment, zegt Heetderks, zijn studies bij mensen misschien nog een beetje voorbarig. Maar dat is natuurlijk maar één mening.
Greg Licholai, directeur van ondernemingen en bedrijfsontwikkeling voor de neurologische afdeling van Minneapolis, het MN-gebaseerde Medtronic, biedt een andere mening. Dit is echt een doorbraak in het benaderen van neurologische aandoeningen, zegt Licholai over de inspanningen van Donoghue. Ik denk niet dat het een probleem zal zijn om patiënten te rekruteren, en het systeem is goed bewezen in een diermodel. Het enige mogelijke oponthoud is hoe lang het duurt om de documenten op te stellen en de FDA-goedkeuring te krijgen van die proeven in een vroeg stadium.
De businessmanager en enige werknemer van Cyberkinetics, Brown-student Mikhail Shapiro, helpt het bedrijf bij het zoeken naar het managementteam en de financiering die het nodig heeft om dat papierwerk op orde te krijgen en de menselijke tests op gang te brengen. Shapiro en de oprichters van het bedrijf beseffen allemaal dat ze zowel zakelijke als technologische uitdagingen zullen tegenkomen, maar ze zijn er ook van overtuigd dat, zoals Hatsopoulos het stelt, dit echt is. Dit gaat mensen echt helpen.