Computer aansturen met hersenen: Alles over IBC's
Beeld je in dat je geen muis of toetsenbord meer nodig hebt. Je denkt gewoon aan iets en de computer volgt je bevel op. We hebben het dan over IBC's - brein-computerinterfaces. Ook in Nederland wordt daar volop mee getest. We spreken erover met onderzoekers van de Radboud Universiteit, het UMC Utrecht Hersencentrum en de Universiteit van Twente.
Stel dat je een computer bestuurt met je gedachten. Je denkt een zin, en plots verschijnt die op het computerscherm. Dat is de belofte achter BCI’s. We zouden ermee in de toekomst misschien helemaal anders interageren met de digitale wereld.
Tot nu toe bleef de technologie echter beperkt in kunde en nauwkeurigheid, maar dat staat op het punt te veranderen. Steeds meer investeringen vloeien naar de technologie, nieuwe start-ups duiken op en universiteiten kondigen meer doorbraken aan. En dat gebeurt ook in Nederland, waar een reeks bedrijven en onderzoekers de grenzen van computers en ons brein aftasten.
MindAffect
Professor Peter Desain van de Radboud Universiteit doet sinds 2002 onderzoek naar BCI’s, lang voor de huidige snelle ontwikkelingen in het veld. “Ik onderzocht aanvankelijk muziekwaarneming”, stelt hij. “Door elektrodes te plakken op de schedel, en de elektrische signalen in de hersenen te detecteren, kon ik zien welk ritme je voorstelde in je hoofd.”
Dat initiële onderzoek naar muziek bleek echter ook toepassingen te bieden voor mensen met verlammingen. “Als je bijvoorbeeld ALS in een laat stadium hebt, dan kun je niet meer spreken of bewegen”, vertelt Desain. “Maar cognitief ben je helemaal intact, en kun je taken doen zoals het richten van mentale aandacht. Dat kunnen we meten en detecteren.”
Met zo’n BCI kan een zwaar verlamde patiënt dus communiceren met de buitenwereld, of zelfs zaken besturen, zoals een elektrische rolstoel of prothese. Uit zijn onderzoek aan de Radboud Universiteit kwam er een bedrijfje voort: MindAffect. Jason Farquhar is hoofd van machine learning bij MindAffect, en legt uit hoe hun technologie werkt.
“Het ziet eruit als een soort zweetband, maar dan met een hoop kabels en elektroden aan de achterkant”, vertelt hij. “Die elektroden zitten tegen de schedel aan, en zijn verbonden met een versterker, een klein doosje. Daarnaast bieden we software aan, dat de hersensignalen analyseert en als gebruikersinterface dient. Die software is opensource, en draait gewoon op je pc. We bieden ook een closedsource-versie aan die op een Android- of iOS-tablet werkt.”
Hun systeem werkt via EEG, ofwel elektro-encefalografie, zowat de meest populaire methode om een BCI mee te bouwen. De elektroden op de schedel meten zo de elektrische pulsen die je hersenen rondsturen wanneer ze iets bedenken of doen. Farquhar vergelijkt het met een heel speciale voltmeter. Vervolgens stuurt het apparaat die ruwe data naar een computer, waar er complexe data-analyse op gebeurt, vaak met artificiële intelligentie, om te ontcijferen wat bepaalde hersensignalen betekenen.
Soort morsecode
Om dat correct te doen, moet het systeem zich kalibreren, bijvoorbeeld om tekst mee te typen. “Je ziet dan op een scherm een toetsenbord, met pakweg dertig knoppen”, legt Farquhar uit. “Elke knop zal één voor één flikkeren op het scherm, met een eigen code die lijkt op een soort morse. Wanneer een knop flikkert, reflecteert het brein die specifieke code. We meten het signaal vervolgens dat gekoppeld is aan die specifieke letter, en zo maken we de link tussen de twee.”
Dat hele systeem is vrij accuraat voor een BCI. “We halen gemiddeld boven de 95 procent nauwkeurigheid binnen drie seconden voor dertig outputs”, stelt Farquhar. Op een toetsenbord met 30 keuzes, krijg je het dus 95 procent van de tijd juist, waarbij je tot 3 seconden moet wachten op een antwoord. Eén op de twintig commando’s is dus fout. Niettemin verwacht hun systeem bewegingen van het oog, wat ze vervolgens opvolgen in de hersensignalen. Een vergelijkbare BCI die zonder oogbewegingen werkt is daarentegen gemiddeld minder accuraat, en haalt nauwkeurigheidsgraden van 60 tot 80 procent.
Op het eerste zicht helpt deze technologie natuurlijk mensen met een beperking. Maar die toepassing is niet zo voor de hand liggend als je zou denken. “Dat is niet meer ons primaire doel”, stelt Farquhar. “Onze technologie lost het probleem op, maar het aantal mensen dat we hiermee echt helpen is te klein om een bedrijf op te bouwen. Er zijn alternatieve technologieën die hetzelfde probleem evengoed of beter oplossen voor meer mensen. Veel van deze patiënten kunnen ook een eye-tracker gebruiken, wat goedkoper en makkelijker te gebruiken is.”
Daarom maken ze nu de transitie naar een nieuwe doelgroep. “Een jaar geleden begonnen we ons te focussen op makers en DIY’ers”, stelt Farquhar. “Zo kunnen mensen thuis experimenteren met zaken zoals brain-controlled games, of het maken van een robot die je met je gedachten controleert. Daarom deden we nu een opensource-release van onze software, die je met EEG hardware kan gebruiken. Via zo’n systeem maakt iedereen zijn eigen applicaties.”
Onder de schedel
Het systeem van MindAffect is een zogenaamde non-invasieve BCI, die gewoon als een muts op het hoofd rust. Een andere onderzoekspiste van ‘invasieve’ BCI’s onderzoekt het inbrengen van elektroden onder de schedel.
“Wij verkiezen het woord implantaten vergeleken met invasief, aangezien dat een meer neutrale term is”, lacht Mariska van Steensel, assistant professor bij het UMC Utrecht Hersencentrum. Daar onderzoekt ze implanteerbare BCI’s.
“Ons apparaat is nu in totaal bij drie mensen geïmplanteerd”, legt Van Steensel uit. “Dat bestaat uit enkele elektrode-strips die op de hersenen liggen. Ze dringen dus niet door in het brein, maar worden erbovenop gelegd. Die stripjes bevatten vier elektroden, en zijn via een onderhuidse draad verbonden met een apparaat dat als zender en versterker dient. Dat zit onder het sleutelbeen, de plek waar ook pacemakers zich bevinden.”
Daarmee willen ze vooral mensen met een verlamming helpen. “De elektrodestrips liggen op het gebied in de hersenen dat normaliter voor handbewegingen zorgt”, legt Van Steensel uit. “Wanneer mensen die ernstig verlamd zijn hun hand proberen te bewegen, produceert hun brein hetzelfde hersensignaal als wanneer niet-verlamde mensen daadwerkelijk hun hand bewegen. Dat hersensignaal vertalen we in een commando om een communicatiehulpmiddel te bedienen.”
Zulke implantaten geven een aantal voordelen tegenover niet-invasieve BCI’s. Ze bieden vooral een hoge nauwkeurigheidsgraad en krijgen minder te maken met de problemen die niet-invasieve systemen plagen. “De kwaliteit van het hersensignaal is veel hoger”, stelt Van Steensel.
“Tegelijk is de gevoeligheid voor externe factoren lager. Niet-invasieve BCI’s zijn gevoelig voor dingen zoals hoofdbewegingen of oogknipperingen. Als je meet vanaf de buitenkant van het hoofd meet je ook een groter hersengebied, omdat de schedel en hoofdhuid voor een soort vervaging van het signaal zorgen. Als je heel specifieke hersensignalen wil meten, dan werkt een implantaat dus beter. Tegelijk zijn er praktische redenen. Voor patiënten is het onhandig om elke dag een elektrodemuts op te zetten. Een implantaat zit er gewoon altijd, en je ziet het niet, wat een esthetisch voordeel oplevert. Niettemin moeten we beide typen BCI’s doorontwikkelen, zodat mensen een keuze hebben.”
Maar natuurlijk zijn er ook nadelen aan implantaten. Je moet namelijk een operatie uitvoeren, en onderdelen aanbrengen onder de schedel. Dat maakt ze minder toegankelijk dan hun non-invasieve tegenhangers.
BMS Lab
Aan de Universiteit van Twente brengt het BMS Lab een aantal van die technologieën in de praktijk onder leiding van managing director Jan-Willem van ‘t Klooster. Ze gebruiken daar een reeks technologieën, waaronder niet-invasieve BCI’s, om zaken zoals groepsdynamiek en stressniveau te onderzoeken.
“BCI’s zijn één van de tools waar we onderzoek mee doen”, stelt van ‘t Klooster. “We bestuderen menselijk gedrag, en met BCI’s kijken we bijvoorbeeld welke hersengedeelten actief zijn bij bepaalde niveaus van stress. Dat is interessant voor sport, management of onderwijs.”
Dat wordt ook wel een passieve BCI genoemd. BMS Lab gebruikt de technologie met andere woorden niet om bijvoorbeeld direct een computer te bedienen, maar eerder om te meten wat er in het hoofd van een proefpersoon aan de gang is en dat te analyseren. Dat doen ze meestal in combinatie met andere tools, zoals eye-trackers of sensoren de huidgeleiding meten (en zo bijvoorbeeld het zweetniveau op de huid). Zo combineren ze verschillende bronnen van informatie.
“We bestudeerden bijvoorbeeld het nemen van penalty’s”, vertelt van ‘t Klooster. “Op dat moment staan professionele voetballers onder grote druk, zeker in een vol stadion. Met een draagbare BCI brachten we het verschil in kaart tussen een ervaren en onervaren speler. We onderzochten ook wat de invloed is van bepaalde factoren, zoals een keeper die zich heel irritant gedraagt, of de aanwezigheid van extra publiek. We kijken welke hersengebieden actief zijn tijdens die momenten. Uit dat onderzoek bleek dat mensen die heel onervaren zijn, vooral meer moeten oefenen. Maar ervaren spelers beter niet al te veel nadenken wanneer ze onder druk staan, en moeten vertrouwen op hun intuïtie.”
Andere toepassingen van dit soort passieve BCI’s rekken zich ver uit. Er bestaan voorstellen om ze te gebruiken bij piloten, om te kijken wanneer die gestrest zijn, en wanneer de copiloot dus beter kan ingrijpen. Maar er bestaan ook voorstellen om de aandacht van studenten te meten tijdens lessen, of zelfs te onderzoeken welke advertenties mensen leuk vinden, iets dat neuromarketing heet. Niet zo bemoedigend wanneer je weet dat een gigant als Facebook ook in BCI’s investeert.
Ethische vraagstukken
Dat soort toepassingen van BCI’s roepen dus ethische vragen op. Wat bijvoorbeeld met privacy? En mogen we grote bedrijven en instellingen toelaten om onze gedachten als het ware te lezen? Van ‘t Klooster erkent dat er risico’s zijn. “Neuro-marketing levert mogelijk grote voordelen op”, stelt hij. “Maar tegelijk zit je met ethische aspecten. Want zo snap en manipuleer je misschien waar mensen door geraakt worden. Daar moeten we mee oppassen, en één van onze vakgroepen doet daar onderzoek naar. Hoe begeleiden we wat technologisch gezien mogelijk is, en gaan we er verantwoord mee om? Dat noemen we begeleidingsethiek.”
De politie zet in de toekomst misschien zelfs BCI’s in om te helpen tijdens onderzoeken, met mogelijk dramatische gevolgen wanneer ze in de handen van autoritaire regimes terecht komen. “In dit scenario laat je snel afwisselende plaatjes zien, en meet je de hersensignalen. Als je een plaatje herkent komt er een andere reactie, zoiets is nauwelijks te onderdrukken”, stelt Desain.
“Je kunt dan een foto van een moordwapen tonen, of van een andere verdachte. Dan moet je maar hopen dat het gerechtelijk apparaat dat soort technieken op een verantwoordelijke manier inzet, en incalculeert dat deze methoden verre van perfect zijn. Anders verklaar je makkelijk iemand onterecht schuldig.”
Tegelijk stelt Desain dat we voorlopig niet moeten vrezen dat dit soort apparaten onze gedachten zullen lezen. “We weten niet eens wat een gedachte is. Het is zo’n ingewikkeld samengesteld geheel. Een BCI begrijpt nog lang niet dat ik momenteel bezorgd ben omdat ik nog enkele klusjes heb liggen, en daarna mijn boodschappen moet doen. Dat is een ingewikkeld geheel van betekenissen, waarvan we niet weten hoe ze in onze hersenen vastgelegd en verwerkt worden.”
Niettemin stelt Jason Farquhar dat misbruik in de toekomst misschien niet af te wenden zal zijn. “We moeten mensen controle geven over hun data, en ervoor zorgen dat ze die altijd vrijwillig delen”, stelt hij. “Maar BCI’s kunnen inderdaad misbruikt worden. Dat is een eeuwenoude realiteit voor ontwerpers van technologie.”
Heilige graal
Ondertussen gaat de technologie gestaag vooruit. Niettemin zijn er nog een aantal hordes waar BCI’s over moeten gaan. “We hebben meer datasets nodig, zodat we er algoritmen op kunnen loslaten die vervolgens ontcijferen hoe ons brein werkt”, stelt Farquhar. Hun project bij DIY’ers maakt daar alvast deel van uit.
Personen die hun systeem gebruiken kunnen (vrijwillig) hun gegevens delen met MindAffect om het systeem te verbeteren. Desain: “Met deze methodes krijgen we, naast praktische toepassingen, een veel beter inzicht in de neurocognitie, die uiteindelijk moet leiden tot een beter begrip van hoe onze hersenen werken.”
“Zowat de heilige graal van BCI’s is het decoderen van spraak”, zegt Van Steensel. “Het maken van clicks, of het bewegen van een muis op een computerscherm, zijn uiteindelijk maar suboptimaal om te communiceren. Wat je eigenlijk wilt is dat mensen woorden uitspreken in hun hoofd, en dat je op basis van het hersensignaal uitmaakt wat iemand wil zeggen."
"De hersensignalen dus decoderen die normaal de mond doen bewegen. Dat is ongelooflijk complex en het zal waarschijnlijk meer dan tien jaar duren voordat we op deze manier een snelheid en kwaliteit van communiceren kunnen bereiken die vergelijkbaar is met normale spraak. Maar als het lukt, zou dat een enorme vooruitgang zijn voor mensen met een verlamming.”
Tekst: Tom Cassauwers