Een pc besturen met je gedachten - De potentie van de brein-computer
ACHTERGROND - Technologie heeft de manier waarop we leven veranderd. De grootste doorbraak moet nog komen: de brein-computer interface, waarbij de hersenen en zenuwen worden gekoppeld aan een computer. In potentie zouden blinden weer kunnen zien en verlamde patiënten weer kunnen bewegen.
Wat is er nu al mogelijk, wat wordt er in de voor de nabije toekomst verwacht en welke gevaren liggen er op de loer?
Geen menselijk orgaan is zo fascinerend als het brein. De afgelopen eeuwen hebben wetenschappers het menselijk lichaam ontleedt en geanalyseerd, waardoor we vandaag de dag grotendeels weten hoe alles werkt. Maar het menselijke brein, met zijn 100 miljard zenuwcellen, is nog steeds grotendeels een mysterie. De hersenen vormen ons centrale zenuwstelsel. Ons brein en bevat waarnemende, aansturende en controlerende functies. Bovendien zijn de hersenen in staat om informatie te verwerken en op te slaan. Over de opslagcapaciteit van het menselijk brein lopen de meningen uiteen, maar een algemene aanname is dat deze rond de 2,5 petabyte (2500 TB) aan binaire data kan bevatten. Maar nog veel interessanter is de wijze van communicatie tussen de hersenen en het lichaam.
De eerste basale inzichten daarover ontstonden in 1929 toen de Duitse arts Hans Berger elektro-encefalografie toepaste, beter bekend als EEG. Daarbij worden elektroden op het hoofd geplaatst, waarna elektrische signalen van de hersenen - hersengolven - kunnen worden uitgelezen. In die tijd waren er nog geen computers, waardoor het erg lastig was om de resultaten te kunnen interpreteren. Pas in de tweede helft van de vorige eeuw zijn er vorderingen gemaakt en met name in de laatste twee decennia zijn er zeer grote sprongen gemaakt. Dankzij EEG's, CT-scans en MRI's in combinatie met de enorme vooruitgang van de rekenkracht van computers, weten we veel beter hoe het menselijk brein werkt. De volgende stap is om de hersenen te verbinden met computers, zodat gedachten kunnen worden gedigitaliseerd en geclassificeerd en vervolgens omgezet in acties. Dat kan met een zogenaamde brein-computer interface (BCI).
Brein-computer interface
Het digitaliseren van gedachten klinkt als sciencefiction, maar het is vandaag de dag al realiteit. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om met behulp van gedachten een muisaanwijzer van een computer te laten bewegen of zelfs een robotarm te besturen! Zowel op het gebied van de gezondheidszorg als gaming en oorlogsvoering biedt dit nieuwe mogelijkheden. Wat hiervoor nodig is, is een interface die de signalen van de hersenen meet, versterkt en digitaliseert, en het mogelijk maakt hier een computer of machine aan te koppelen.
©PXimport
Zo'n brein-machine-verbinding wordt internationaal een Brain-Computer Interface genoemd. In veel gevallen is het niet noodzakelijk om elektroden in het lichaam in te brengen, maar volstaat een soort net, bril of helm met sensoren dat op het hoofd geplaatst wordt. Als een meer nauwkeurige meting noodzakelijk is, is een implantaat - oftewel een 'invasieve' BCI - een optie, al kan dat leiden tot negatieve bijeffecten zoals infecties en instabiliteit van de sensoren op lange termijn. Dit wordt het meest toegepast bij serieuze medische aandoeningen zoals een verlamming in het zenuwstelsel, maar veelal nog in een experimenteel stadium.
Project Cyborg
Een bekend experiment met implantaten is dat van de bekende Britse robot-ingenieur Kevin Warwick (1954), die bekendstaat om zijn experimenten waarbij computersystemen rechtstreeks worden aangesloten op het menselijke zenuwstelsel. De eerste stap van zijn project 'Cyborg', richting een soort mens-machine, werd in 1998 gezet door een onderhuidse chip te implanteren. Het ging om een relatief simpele RIFD-chip die in Warwicks arm geïmplanteerd werd. Daarmee kon hij deuren, lichten, de verwarming en enkele andere geautomatiseerde systemen bedienen op basis van zijn aanwezigheid. Warwick wilde het experiment vooral aangaan omdat futurologen de verwachting uitspraken dat een onderhuidse chip in de toekomst als een soort identiteitsbewijs kon gaan dienen, maar tot dan toe werd er nauwelijks met mensen geëxperimenteerd. Dit terwijl in dezelfde tijd dergelijke implantaten wel voor huisdieren werden geïntroduceerd. Later liet Warwick ook (tijdelijk) een sensor implanteren waarmee hij geblinddoekt kon detecteren of een object dichterbij kwam of van hem af bewoog. Het kostte hem wel zes weken oefenen om de signalen die hij voelde correct te interpreteren.
©PXimport
Kevin Warwick liet in 1998 en onderhuidse chip implanteren en experimenteert veel met BCI. (foto: Kevin Warwick)
Ook experimenteerde hij met het op afstand besturen van objecten, waarbij hij vanaf de Columbia Universiteit in New York het zenuwstelsel van zijn linkerhand koppelde aan een robothand die zich in de Reading Universiteit in Engeland bevond. Wanneer hij z'n hand bewoog werden de hersengolven via het internet naar de robotarm verstuurd. En wanneer de robothand een object vasthad kon Warwick de druk van hiervan voelen. Dit bewees volgens hem dat het brein en het lichaam zich niet per definitie op dezelfde locatie hoefden te zijn. Ten slotte liet Warwick het zenuwstelsel van zijn vrouw tijdelijk verbinden met zijn eigen, waarbij hij het kon voelen als zij haar arm bewoog. In een vergelijkbaar experiment in 2013 van de Universiteit van Washington liet een onderzoeker de vinger van een collega bewegen op een keyboard, terwijl deze zich op enige afstand bevond. Ze speelden op die manier een spelletje waarbij je op het juiste moment tot actie moest overgaan.
©PXimport
Tijdens een experiment van de Universiteit van Washington werd een vinger van een collega via een BCI bestuurd door iemand die zich op een andere locatie bevond.
Medische toepassingen
In eerste instantie lijkt BCI vooral op medisch gebied interessant te zijn. Zo zijn er geslaagde experimenten waarbij patiënten met hun gedachten protheses - zoals een driedimensionale robotarm - kunnen besturen en op die manier wat meer controle over hun leven terugkrijgen. Iets simpels als zelf een kop koffie of stuk chocolade naar je mond brengen kan heel waardevol zijn, zeker voor iemand die deels verlamd is of een lichaamsdeel mist.
Op dezelfde wijze is het mogelijk om een rolstoel te besturen. Ook het typen van tekst door middel van gedachten is mogelijk, al gaat het momenteel nog een erg traag met circa 14 aanslagen per minuut. Verder zijn er geslaagde experimenten om blinden weer te kunnen laten 'zien', al gaat het daarbij vooral om licht- en kleurpatronen. De resolutie verbetert ieder jaar.
©PXimport
Tekst typen via gedachten is al mogelijk, al gaat het vrij traag. (beeld: Gtec)
Een andere veelbelovende toepassing is 'Deep Brain Stimulation' (DBS), waarbij de symptomen van diverse ziektes onderdrukt kunnen worden. Zo kan een ziekte als Parkinson, waarbij het lichaam onbewust fysiek beweegt, bestreden worden door een implantaat waarbij de hersenactiviteit gemonitord en geanalyseerd wordt, om middels een tegenreactie de fysieke symptomen te voorkomen. Het concept lijkt op dat van een pacemaker, waarbij een elektrische prikkel wordt gegeven om het hart op gang te houden, bijvoorbeeld in het geval van een hartritmestoornis. In de VS zijn al 110.000 Parkinson-patiënten behandeld met Deep Brain Stimulators van Medtronic.
©PXimport
Op dezelfde wijze zouden de symptomen van depressies, clusterhoofdpijn, chronische pijn, het Tourette-syndroom, tremor en dystonie onderdrukt kunnen worden. Ook epileptische aanvallen zouden met behulp van implantaten en elektronische pulsen kunnen worden gestopt. De combinatie van BCI en speciale training kan de kwaliteit van leven verbeteren voor patiënten die getroffen zijn door een beroerte, dwarslaesie en traumatisch hersenletsel. In de VS wordt naar schatting 2,6 miljard dollar geïnvesteerd in DBS en 'neurostimulatie'. Een struikelblok is dat een implantaat een batterij nodig heeft en dat de huidige implantaten nog niet energiezuinig genoeg zijn om een aantal jaren zelfstandig te functioneren. Ook is er nog weinig bekend over de lange termijneffecten van DBS.
©PXimport
Via gedachten kunnen protheses worden bestuurd.
Gaming
Ook voor gaming lijkt BCI veelbelovend. Immers, het kan makkelijker en vooral sneller zijn om een spel met je gedachten te besturen, dan met je vingers (waarbij je gedachten eerst omgezet moeten worden naar een fysieke beweging). Tijdens game- en elektronicabeurzen worden regelmatig demo's gegeven waarbij je via EEG een spel kunt besturen. Dus met een helm of een soort koptelefoon met sensoren op je hoofd, en zonder dat je daarbij je handen gebruikt. Momenteel vereist deze techniek nog enige oefening en worden de elektronische signalen softwarematig omgezet naar keyboardaanrakingen, wat tijd kost. Idealiter moet een spel via een API te optimaliseren zijn voor besturing via gedachten.
Het bekende roleplaying-spel World of Warcraft ondersteunt dit en wordt daarom ook regelmatig als voorbeeld gebruikt. Het onderwijs neemt de opkomst van BCI ook serieus: de Universiteit van Twente heeft een bachelor 'Creative Technology' die zich onder andere richt op BCI in combinatie met apps. Een variatie op 'neurogaming' is het besturen van een spel via handgebaren, zoals Microsofts Kinect. En met een combinatie van beide methoden wordt ook volop geëxperimenteerd. Linksom of rechtsom lijkt het er op dat het bedienen van een spel via een toetsenbord ooit, in de toekomst, hopeloos ouderwets is.
©PXimport
Een spelletje Pong via een BCI. (beeld: Gtec)
Militair
Vanzelfsprekend is het leger ook zeer geïnteresseerd in BCI. Zo loopt er in de VS een experiment van DARPA waarbij hersenimplantaten emoties moeten kunnen controleren, vooral ten behoeve van mensen met geestelijke problemen. De eerste stap is om emoties op afstand te kunnen observeren en een tweede stap is om geestelijke problemen te kunnen stabiliseren. Het gaat in dit geval om zeven verschillende psychiatrische condities, van depressies tot verslavingen en een borderline persoonlijkheidsstoornis. Het project komt voort uit de problemen van veteranen die actief zijn geweest in oorlogsgebieden en vaak kampen met dergelijke psychiatrische stoornissen. Maar het signaleren van emoties is ook nuttig als het gaat om alertheid. Wanneer een soldaat op wacht een vijand ziet en deze emotie gedetecteerd wordt, kan er geautomatiseerd alarm geslagen worden.
©PXimport
©PXimport
Voor het uitlezen van hersengolven (EEG) zijn inmiddels speciale headsets in ontwikkeling. (beeld: Emotiv)
Maar de militaire potentie gaat nog veel verder. Momenteel wordt er gecommuniceerd via spraak, maar het zou natuurlijk veel handiger zijn dat telepathisch kan - dus via gedachten. Ook voor de verspreiding van orders is dit interessant, omdat het tevens voorkomt dat een order verkeerd geïnterpreteerd wordt. Het aansturen van apparatuur en voertuigen, net als bij games, kan militair gezien een groot strategisch voordeel opleveren. Ook het uitlezen van gedachten en 'mind control' kan rekenen op veel belangstelling van het leger, al lijken concrete toepassingen momenteel nog ver weg.
Wat wel al realiteit is, aansluitend op 'project Cyborg', zijn experimenten om soldaten te voorzien van mechanische uitbreidingen, zoals een zogenaamd 'exoskelet'. Deze sluit aan op het lichaam, waarbij een hydraulisch systeem met motoren de beweging van de benen versterkt, waardoor soldaten sneller kunnen rennen en minder moe worden. Ook kan er meer gewicht dan normaal gedragen worden. De 'HULC' van Lockheed-Martin kan een gewicht van 90 kilo dragen en tegelijkertijd gedurende acht uur een snelheid van 10 km/u halen. Voor zover bekend zijn dergelijke exoskeletons nog niet ingezet in oorlogsgebieden.
Toekomst
Alleen al op basis van recente medische toepassingen en experimenten blijkt dat de potentie van BCI zeer groot is. Mensen met verlamde of geamputeerde lichaamsdelen zouden met hun gedachten apparaten kunnen bedienen, zoals een robotarm-prothese. En zogenaamde 'neurochips' kunnen de activiteiten van het zenuwstelsel monitoren en beïnvloeden, om zo ziektes als Parkinson en epileptische aanvallen te onderdrukken. Toekomstige neurochips zouden gecombineerd kunnen worden met gekweekte zenuwcellen waardoor ze nog beter met het lichaam samenwerken. Wetenschappers gaan er vanuit dat we nog maar aan het begin staan van de mogelijkheden en dat we in de toekomst dingen kunnen die nu nog ondenkbaar zijn.
©PXimport
©PXimport
De Telestar V robot laat zich op afstand besturen, waarbij ook het voelen van objecten mogelijk is dankzij tactile feedback. (beeld: Tachilab)
Zo zouden we rechtstreeks met elkaar kunnen communiceren via gedachten in plaats van spraak (wat heel wat klassieke communicatieproblemen zou kunnen verhelpen). Los van het corrigeren van lichamelijke beperkingen zouden we het menselijk lichaam ook kunnen 'upgraden'. Denk bijvoorbeeld aan het verbeteren van het geheugen en het verstand en de snelheid van rekenen. Ook iets als 'telepresence', momenteel vooral gebruikt voor het op afstand vergaderen, zou een heel nieuwe dimensie kunnen krijgen. Hierbij kun je virtueel afreizen naar verre bestemmingen en daar ook echt dingen kunt zien, horen én voelen. De ultieme droom - of nachtmerrie - zou misschien het digitaliseren van het bewustzijn kunnen zijn, waarbij we geen lichaam meer nodig hebben om te kunnen denken en waarbij alle herinneringen digitaal zijn opgeslagen. Het eeuwige leven ligt dan binnen handbereik ...
Ethiek
De mogelijkheden van brein-computer interfaces leidt uiteraard ook tot ethische vragen, want het manipuleren van de hersenen ligt gevoelig. Zeker bij conservatieve groepen, die ook negatief staan tegenover abortus en stamceltherapie, worden de medische ontwikkelingen van BCI met argusogen gevolgd. Het gaat veelal om kwetsbare patiënten, die beperkt kunnen communiceren, dus is het van groot belang dat zij zelf, of hun directe naasten, uitdrukkelijke toestemming kunnen geven voor een dergelijke therapie. Ook de privacy is van groot belang. Iets als het analyseren, laat staan het opslaan of delen van gedachten, ligt zeer gevoelig.
En dat geldt natuurlijk helemaal voor de interesse van het leger in iets als 'mind control' en mens-machine-combinaties. Vooralsnog gaat het grotendeels om experimenten, maar het zal niet lang meer duren voordat er concrete therapieën en toepassingen ontstaan. Nieuwe wetgeving kan dan noodzakelijk zijn. Medisch gezien moet het belang van de patiënt en de kwaliteit van leven natuurlijk altijd voorop staan.
Open standaard: OpenBCI
Net zoals bij andere opkomende technologieën, maken fabrikanten gebruik van hun eigen proprietary (gesloten) standaarden, waardoor producten onderling niet compatibel zijn en in de toekomst mogelijk niet meer te upgraden zijn. En bovendien is het meestal duur voor een particulier om zelf met dergelijke nieuwe technologie aan de slag te gaan. OpenBCI moet daar verandering in brengen. Het is een betaalbaar, programmeerbaar en opensource EEG-platform dat iedereen met een computer toegang geeft tot BCI-technologie.
Via Kickstarter hebben de bedenkers 215.000 dollar opgehaald, waarbij startersets inclusief electroden voor zo'n 300 dollar verkocht werden. De hardware bestaat uit een Arduino-systeem gebouwd rondom een Texas Instrument's ADS1299 IC chip met signaalversterker en SD-slot. In combinatie met de electroden en de software kan het pakket direct gebruikt worden voor het meten van hersengolven. Doordat de software opensource is, kan code gedeeld worden waardoor functionaliteit eenvoudig kan worden toegevoegd. En de gedachte achter een open standaard is natuurlijk dat andere partijen zich kunnen aansluiten.
©PXimport
De OpenBCI headset wordt geproduceerd via een 3D printer.
