Het besturen van een rolstoel met je geest klinkt misschien als iets uit een sciencefictionfilm. Maar, ze worden al uitvoerig – en succesvol! – getest.
De ontwikkelingen op het gebied van hersengestuurde computers gaan razendsnel. Het resulteert erin dat steeds meer apparaten tegenwoordig in staat zijn ‘gedachten te lezen’. Een uitkomst voor verlamde mensen, zo dacht onderzoeker José Millán. Samen met zijn collega’s heeft hij een slimme, hersengestuurde rolstoel gebouwd die de gedachten van gebruikers omzet in mechanische commando’s. Een dat kan het leven van een verlamde weleens een stuk makkelijker maken.
Hersengestuurde rolstoel
Wat hersengestuurde technologie eigenlijk doet, is een communicatiekanaal tot stand brengen tussen het brein van een gebruiker en een extern apparaat – in dit geval een rolstoel. “We gebruiken daarvoor een technologie genaamd brain-machine interface (BMI),” vertelt Millán in gesprek met Scientias.nl. Hierbij worden bepaalde hersensignalen gemeten en gedigitaliseerd. Vervolgens worden die door een computer geclassificeerd en in acties omgezet. “In ons geval probeert de computer erachter te komen welke commando’s, zoals linksaf, rechtsaf of rechtdoor, de menselijke gebruiker naar de rolstoel wil sturen,” legt Millán uit. “Om de hersenactiviteit te meten, plaatsen we elektroden op het hoofd van de persoon. Een belangrijk onderdeel van BMI is een machine learning-model van de hersensignalen van de gebruiker dat verantwoordelijk is voor het afleiden van het beoogde commando.”
Experiment
Om de hersengestuurde rolstoel te testen, rekruteerden de onderzoekers drie mensen met tetraplegie (verlamming van beide armen en benen). Elke deelnemer kreeg drie keer per week, gedurende twee tot vijf maanden, les. Nadat de elektroden op het hoofd waren geplaatst, werd de deelnemer gevraagd te denken aan de richting waarin hij wilde dat de rolstoel zich bewoog. In het bijzonder moest de deelnemer denken aan het bewegen van beide handen om de rolstoel naar links te laten draaien en aan beide voeten om naar rechts te draaien.
Veelbelovend
De resultaten waren na één enkele trainingssessie al veelbelovend. Alle drie de deelnemers slaagden er tussen de 43 en 55 procent van de gevallen in om de rolstoel de beoogde kant op te laten draaien. Met name deelnemer 1 en deelnemer 3 gingen vervolgens als een speer en bereikten aan het einde van hun trainingen een nauwkeurigheid (waarbij de reactie van het apparaat overeenkwam met de gedachte van de gebruiker) tussen de 95 en 98 procent.
Corticale reorganisatie
De onderzoekers zagen bij deelnemer 1 en 3, naarmate ze de rolstoel beter konden besturen, een duidelijke verschuiving in hersengolfpatronen ontstaan. “Uit hersenscans bleek dat deze deelnemers steeds vaardiger werden in het genereren van een heel specifiek hersenpatroon voor ‘naar links’ en een ander specifiek patroon voor ‘naar rechts’,” zegt Millán. “We geloven dat er, als gevolg van het leerproces van de deelnemers, een zogenoemde ‘corticale reorganisatie’ is opgetreden. We hadden overigens wel verondersteld dat dit zou kunnen gebeuren. Maar we waren heel verrast om te zien hoe sterk dit proces correleert met de BMI-prestaties.” Vergeleken met deelnemer 1 en 3 vertoonde deelnemer 2, naarmate de training vorderde, geen significante verandering van hersengolfpatronen. De onderzoekers zagen bovendien dat het vermogen van deze deelnemer om de rolstoel te besturen gedurende de tijd niet verbeterde. “Dit suggereert dat machinaal leren alleen onvoldoende is om met succes een hersengestuurde rolstoel te bedienen,” concludeert Millán. “Daarvoor is er blijkbaar enige corticale reorganisatie vereist.”
Kortom, niet alleen de computer moet leren om de signalen van de gebruiker goed te verwerken, er moet ook iets in de hersenen van de gebruiker gebeuren om de computer – en dus de rolstoel – goed aan te sturen. “Er moet dus een wederzijds leerproces plaatsvinden,” stelt Millán.
Rommelige kamer
Dat kost weliswaar tijd. Maar als dat lukt, is het resultaat indrukwekkend. Aan het einde van de trainingssessies werden alle deelnemers gevraagd hun rolstoel door een rommelige kamer te rijden. Ze moesten om obstakels heen, zoals een scheidingswand en ziekenhuisbedden, om zo een echte omgeving te simuleren. En wat blijkt? Zowel deelnemer 1 als deelnemer 3 wisten hun hersengestuurde rolstoel succesvol door deze rommelige ruimte te navigeren. Millán is trots. “Dit is geen alledaagse taak,” zegt hij. “Toch wisten ze hun rolstoel langs obstakels te zigzaggen.” Helaas wist deelnemer 2 de taak niet te voltooien. Ondanks dat, heeft ook deze deelnemer een mooie prestatie neergezet, zo vindt Millán. “Ook deelnemer 2 toonde een goede controle over de rolstoel,” zegt hij. “Misschien niet zo goed als de andere twee deelnemers, maar hoe dan ook goed.”
Oefenen, oefenen, oefenen
De studie, gepubliceerd in het vakblad iScience, laat zien dat hersengestuurde apparaten langdurige oefening eisen. Het is niet zo simpel als de meesten misschien denken. “Hoewel deelnemer 1 op het einde uitzonderlijk presteerde, had hij het ook in de eerste paar trainingen moeilijk,” zegt Millán. Maar als verlamde mensen bereid zijn om te oefenen, worden ze daar zeker voor beloond. Een hersengestuurde rolstoel geeft hen namelijk niet alleen hun mobiliteit en beweeglijkheid terug, maar ook hun autonomie.
De onderzoekers zijn van plan in vervolgonderzoek met name het leerproces verder te verfijnen. “Onze huidige algoritmes stellen verlamde mensen in staat om op een veilige en redelijk efficiënte manier door een rommelige kamer te navigeren,” zegt Millán. “We willen ons dan ook nu verder op de deelnemers concentreren en achterhalen hoe we hen beter en sneller kunnen trainen. Ons streven is om uiteindelijk elke verlamde de mogelijkheid te geven een hersengestuurde rolstoel zo goed mogelijk te bedienen.”
