De toekomst van directe hersencommunicatie

Directe communicatie tussen hersenen werd afgelopen augustus voor het eerst gedemonstreerd door Andrea Stocco en Rajesh Rao – twee neurowetenschappers van de University of Washington. Het tweetal fungeerde in die demonstratie als eerste proefkonijnen. Hun systeem is nu volledig getest en is stabiel, volgens een artikel wat vorige week is gepubliceerd in PLOS One.

Volgens de onderzoekers opent dit onderzoek allerlei deuren naar bizar futuristisch onderzoek en toepassingen, nu ze weten dat hun onderzoek niet zomaar een gelukstreffer was. De onderzoekers weten hoe ze op een betrouwbare manier signalen van motorische functies van het ene brein naar de andere kunnen sturen, dus maken ze hyper gepersonaliseerde neurorehabilitatie mogelijk. Een nieuw onderzoeksveld die mensen met hersenschade helpen met simpele taken – bijvoorbeeld slikken – opnieuw te leren door de juiste neuronen te stimuleren.

Een directe brain-to-brain interface (BBI) zou ook de "de ultieme proef voor neurologische theorieën" kunnen zijn, vertelde Stocco me toen ik hem opbelde om te vragen hoe het ervoor staat met het meest recente werk van zijn onderzoeksgroep.

"We zijn nu op een punt beland waarbij deelnemers gewoon naar binnen kunnen lopen, in de stoel kunnen gaan zitten en we het apparaat laten werken," zei Stocco. "Het feit dat dit nu beoordeeld is als stabiel maakt de weg vrij voor een hoop scenario's."

Stocco en Rao's systeem werkt door hersengolven op te vangen met een EEG – elektrische activiteit in de neuronen van de hersenen – van een proefpersoon, die ze de "verzender" noemen. Deze signalen worden geassocieerd met een handeling. In de testen van Stocco en Rao waren deze handelingen het typen op een toetsenbord in een simpele game.

De signalen van de hersengolven van de verzender worden vervolgens digitaal verwerkt en via internet verstuurd. Deze signalen worden in de hersenen van de "ontvanger" gestuurd via transcraniële magnetische stimulatie (TMS). TMS stimuleert de juiste groep neuronen in de hersenen van de ontvanger zonder deze schade toe te brengen. In de praktijk voeren de hersenen van de ontvanger de handelingen uit die de hersenen van de verzender direct hebben verstuurd.

Hun systeem zorgt ervoor dat een persoon iemand anders handelingen kan besturen, door direct met zijn hersenen te communiceren.

De communicatie tussen hersenen hoeft niet op hetzelfde moment te gebeuren. Onderzoekers wisten eerder dit jaar versleutelde hersengolven te e-mailen. Deze EEG-signalen kunnen opgeslagen worden als een sjabloon voor bepaalde handelingen. Dit sjabloon kan je gebruiken om iemand te helpen met het opnieuw aanleren van bepaalde motorische functies, omdat ze het zelf niet meer kunnen door hersenschade.

Deze methode lijkt op hoe nu aangeboren blindheid wordt behandeld. Hierbij worden de visuele neuronen elektrisch gestimuleerd in de hoop om het zicht te kunnen kickstarten.

"De manier waarop je leert is vallen en opstaan," legde Stocco uit. "Je hersenen proberen een handeling te doen en je observeert of het resultaat succesvol was of niet. Als het onsuccesvol was zullen je hersenen dit 'foute' signaal gebruiken om je lichaam de juiste kant op te sturen, in principe is dat het enige signaal wat je binnen krijgt.

"Maar we kunnen dit proces versnellen door in plaats van je te vertellen wat je per scenario goed of fout doet, we gewoon per beweging kunnen vertellen waar het fout gaat," ging hij verder. "Dit is hetzelfde als een sjabloon in de hersenen te sturen naar het deel van de hersenen wat omgaat met de intentie, met wat de juiste handeling is om uit te voeren."

Stocco zei dat de potentiële moeilijkheid van deze aanpak is dat de relatie tussen hersengolven en specifieke acties in de context van neurorehabilitatie waarschijnlijk per persoon heel erg verschillen. Een aannemelijk toekomstscenario zou dus zijn dat iedereen alvast met een EEG zijn hersengolven per handeling opslaat. Mocht je dan hersenschade oplopen door een hersenbloeding of een ongeluk, dan kan je je oude voorbeelden gebruiken om die handelingen weer sneller aan te leren.

De mogelijkheid om de associaties tussen neurosignalen en specifieke acties te testen kan ook gebruikt worden om theorieën in de neurowetenschappen is het algemeen te testen. Een enorm probleem met onderzoek tussen bepaalde gedachtes/handelingen en groepen neuronen in de hersenen is dat het alleen maar over correlatie gaat, niet over causaliteit.

Hersenactiviteit kan makkelijk gemeten worden met bijvoorbeeld een fMRI-scan of andere methodes, maar de link met bepaalde acties komt meestal van zelfrapportage of andere methodes. Neem bijvoorbeeld dit recente onderzoek, die neuronpopulaties in het ventrale stratium – bepaald deel van de hersenen die zich bezighoudt met beweging – associeerde met stikken. Hierbij kwamen ze door de prestaties van een game te onderzoeken bij proefpersonen.

In andere woorden, hoewel we vaak wel kunnen vertellen waar er dingen gebeuren in de hersenen, weten we niet precies wat daar gebeurd. En onze methodes om deze associaties te bevestigen zijn vaak indirect. Volgens Stocco zou een stabiele BBI onderzoekers de mogelijkheid bieden dit probleem aan te pakken.

"Een directe hersencommunicatie die echt werkt is in staat om te zeggen welke onderdelen daadwerkelijk nuttig, noodzakelijk en toereikend zijn voor een bepaalde gedachte en welke onderdelen valse correlaties zijn," zei Stocco. "Zo'n werkende herseninterface is echt de ultieme test voor neurologische theorieën.

Stocco en Rao's systeem is nu nog in de onderzoeksfase en het vereist nog belachelijk veel extra onderzoek en testen om tot de precisie te komen die nodig is voor de beschreven futuristische toepassingen. Naast een hoop andere dingen, moeten de neurale stimulatie technieken verder ontwikkelen voorbij de 40 jaar oude standaard van TMS om kleinere groepen neuronen te kunnen onderzoeken, zei Stocco.

Toch is voortgang van techniek zoals directe hersencommunicatie – wat zoals veel andere onderzoeksprojecten stevig op de toekomst is gericht – langzaam maar zeker. Hoewel het er niet op lijkt dat we binnenkort telepathisch communiceren met onze eigen hersengolven, kan het onderzoek van Stocco en Rao het startpunt zijn voor gekke vooruitgang in het veld van de neurowetenschappen.