Wetenschappers van de University of California hebben een baanbrekende stap gezet in de ontwikkeling van een hersen-computerinterface (BCI) die hersensignalen omzet in gesproken taal. De nauwkeurigheid van de nieuwe techniek is verbluffend: tot 97 procent van de woorden komt foutloos over.
Het systeem is ontwikkeld in samenwerking met Casey Harrell, een 45-jarige man met amyotrofische laterale sclerose (ALS), die door de progressieve spierziekte ernstig beperkt was in zijn spraakvermogen. Het team van UC Davis Health implanteerde sensoren in zijn hersenen als onderdeel van het klinische onderzoek BrainGate. Binnen enkele minuten na de activatie van het systeem kon de man al communiceren met zijn omgeving, schrijven de onderzoekers deze week in vakblad New England Journal of Medicine.
Beruchte spierziekte
ALS, ook wel bekend als de ziekte van Lou Gehrig, tast zenuwcellen aan die verantwoordelijk zijn voor het aansturen van bewegingen in het hele lichaam. Patiënten verliezen langzaam hun vermogen om te staan, te lopen en hun handen te gebruiken. Ook het spreken gaat steeds moeizamer. Uiteindelijk lukt het niet meer om zelfstandig te ademen.
BCI-technologie
De nieuwe technologie biedt hoop aan mensen die door verlamming of neurologische aandoeningen zoals ALS niet meer kunnen praten. Het systeem decodeert hersensignalen die ontstaan in het hoofd als de gebruiker probeert te spreken. De signalen worden omgezet in tekst en vervolgens leest de computer de boodschap hardop voor. “Onze BCI-technologie heeft een verlamde man geholpen om weer te communiceren met zijn vrienden, familie en verzorgers”, vertelt UC-neurochirurg David Brandman. “Ons onderzoek heeft de nauwkeurigste spraakneuroprothese voortgebracht in de geschiedenis van de mensheid.”
Corticale elektroden
In juli 2023 implanteerde Brandman de BCI bij Harrell. Hij plaatste vier micro-elektroden aan de linkerkant van de gyrus precentralis, oftewel de voorste centrale winding in de frontale kwab van de grote hersenen. Dit hersengebied is verantwoordelijk voor de coördinatie van spraak. Deze elektroden zijn ontworpen om hersenactiviteit op te vangen van 256 corticale elektroden. “Wat we eigenlijk doen, is luisteren naar de hersenen”, legt neurowetenschapper Sergey Stavisky uit. “Het brein probeert commando’s naar de spieren te sturen om te spreken. En wij vertalen die hersenactiviteit naar fonemen — zoals lettergrepen of andere spraakklanken — en uiteindelijk naar de woorden die de patiënt probeert te zeggen.”
Snellere training, betere resultaten
Het was een lange weg om tot het huidige technologieniveau te komen. Eerdere BCI-pogingen om communicatie mogelijk te maken bleken erg traag en gevoelig voor storingen. Machine learning-programma’s hadden veel tijd en gegevens nodig om de hersensignalen goed te interpreteren, maar al het werk is niet voor niets geweest. “Vorige spraak-BCI-systemen maakten veel fouten, wat het moeilijk maakte om de gebruiker te begrijpen”, aldus Brandman. “Wij hadden een duidelijk doel: een systeem ontwikkelen dat een persoon in staat stelt om op elk moment zijn boodschap over te kunnen brengen, als hij of zij iets wil zeggen.”
Wonderbaarlijk apparaat
ALS-patiënt Harrell testte het systeem in verschillende scenario’s. Bij ingestudeerde teksten, maar ook bij spontane gesprekken werkte het uitstekend. De gedecodeerde woorden verschenen bijna foutloos op het scherm en waren daarna verbazingwekkend genoeg te horen in een stem die leek op die van Harrell vóór zijn ALS-diagnose. De wetenschappers trainden de AI-software namelijk met geluidsfragmenten van zijn oorspronkelijke stem, en konden zo zijn stem opnieuw creëren.
Verbluffend nauwkeurig
Tijdens de eerste trainingssessie bereikte het systeem binnen een half uur een nauwkeurigheid van 99,6 procent voor een vocabulaire van 50 woorden. Bij een volgende sessie, met een veel uitgebreider vocabulaire van 125.000 woorden, bereikte het systeem na slechts 80 minuten training al een nauwkeurigheid van 90,2 procent. Na verdere gegevensverzameling bleef de nauwkeurigheid steken op 97,5 procent, een verbluffend resultaat. “Op dit moment kunnen we met ongeveer 97 procent nauwkeurigheid ontcijferen wat Casey probeert te zeggen”, vertelt Brandman vol trots. “Deze technologie is revolutionair, omdat het hoop biedt aan mensen die willen spreken maar dat niet kunnen.”
De gevangenis verlaten
Harrell heeft de spraak-BCI zeven maanden lang gebruikt. In totaal zijn 84 datasessies opgenomen in het onderzoek, waarin hij meer dan 248 uur aan zelfgestuurde gesprekken heeft kunnen voeren, zowel persoonlijk als via de videochat. “Niet kunnen communiceren is enorm frustrerend en demoraliserend. Het voelt alsof je gevangen zit”, zegt Harrell. “Een technologie als deze helpt mensen om weer deel uit te maken van het leven en de samenleving.” De ALS-patiënt is enorm blij dat hij via UC-Davis de kans kreeg om met deze technologie te werken, en zo zijn vermogen om met familie en vrienden te spreken weer terugkreeg.
