Onderzoekers van de University of California Davis (UC Davis), in samenwerking met Brown University en het Mass General Brigham Neuroscience Institute, hebben een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van hersen-computerinterfaces (brain-computer interfaces, BCI’s). Uit een nieuwe studie blijkt dat een man met ernstige verlamming door ALS gedurende bijna twee jaar zelfstandig een BCI-systeem thuis kon gebruiken om te communiceren, te werken en digitale technologie te bedienen, zonder ondersteuning van onderzoekers.
De resultaten worden gezien als een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van praktische neuroprothesen voor mensen met ernstige spraak- en bewegingsbeperkingen. Hoewel BCI-technologie de afgelopen jaren indrukwekkende resultaten liet zien in onderzoeksomgevingen, bleef grootschalige toepassing beperkt doordat systemen vaak afhankelijk waren van specialistische ondersteuning en onvoldoende stabiel waren voor langdurig gebruik. De nieuwe studie laat zien dat beide barrières mogelijk kunnen worden doorbroken.
Geavanceerde algoritmen
Het onderzochte systeem combineert geavanceerde algoritmen voor spraakdecodering met technologie voor cursorbesturing. Hierdoor kunnen hersensignalen worden vertaald naar tekst, terwijl gebruikers tegelijkertijd een computercursor kunnen bedienen om door digitale omgevingen te navigeren.
De proefpersoon, de 47-jarige Casey Harrell, leeft met ALS en heeft ernstige spierzwakte in armen en benen. Ook zijn natuurlijke spraak is door de ziekte nauwelijks verstaanbaar geworden. In 2023 implanteerden onderzoekers vier micro-elektrode-arrays in het hersengebied dat betrokken is bij de aansturing van spraak. De elektroden registreren neurale activiteit die vervolgens door AI-algoritmen wordt vertaald naar tekst op een computerscherm.
Gedurende bijna twee jaar gebruikte Harrell het systeem thuis meer dan 3.800 uur. In die periode communiceerde hij ruim 183.000 zinnen en bijna twee miljoen woorden. Zijn gemiddelde communicatiesnelheid bedroeg 56 woorden per minuut, aanzienlijk sneller dan veel bestaande communicatiehulpmiddelen voor mensen met ernstige motorische beperkingen. Daarnaast kon hij zelfstandig e-mails versturen, berichten schrijven, internetpagina’s bezoeken en contact onderhouden met familie, vrienden en collega’s.
Hoge nauwkeurigheid
Een van de opvallendste resultaten van de studie is de combinatie van nauwkeurigheid en langdurige stabiliteit. Harrell beoordeelde 92 procent van de gegenereerde zinnen als correct of grotendeels correct. In gecontroleerde tests behaalde het systeem een woordnauwkeurigheid van meer dan 99 procent binnen een woordenboek van 125.000 woorden.
Volgens de onderzoekers vormt juist deze combinatie een belangrijke stap richting klinische toepassing. Eerdere versies van het systeem bereikten al een hoge nauwkeurigheid, maar vereisten telkens de aanwezigheid van onderzoekers voor installatie en kalibratie.
In de huidige studie kon Harrell het systeem vrijwel dagelijks zelfstandig gebruiken. Soms communiceerde hij meer dan twaalf uur achter elkaar. De prestaties bleven daarbij gedurende de volledige onderzoeksperiode stabiel. De onderzoekers beschrijven dit als een van de sterkste bewijzen tot nu toe dat intracorticale BCI’s niet alleen technisch haalbaar zijn, maar ook praktisch bruikbaar kunnen worden in het dagelijks leven.
Meer zelfstandigheid
Voor mensen met ALS en andere neurologische aandoeningen kan de technologie grote gevolgen hebben voor hun zelfstandigheid. De mogelijkheid om weer actief deel te nemen aan gesprekken, te werken en zelfstandig digitale hulpmiddelen te gebruiken, kan de kwaliteit van leven aanzienlijk verbeteren.
Voor Harrell heeft het systeem ook een emotionele dimensie. Dankzij de technologie kan hij opnieuw communiceren op een manier die dichter aansluit bij zijn natuurlijke manier van spreken dan eerdere hulpmiddelen mogelijk maakten. Het stelt hem in staat herinneringen te delen met zijn gezin en opnieuw een stem te geven aan zijn eigen gedachten.
De verzamelde gegevens leveren daarnaast waardevolle inzichten op voor toekomstig onderzoek. Met meer dan 3.800 uur hersenactiviteit op neuron-niveau beschikt het onderzoeksteam over een van de grootste datasets ooit verzameld binnen BCI-onderzoek. Deze informatie kan bijdragen aan een beter begrip van de manier waarop het menselijk brein spraak produceert en aan de ontwikkeling van nog nauwkeurigere systemen.
De onderzoekers benadrukken dat de technologie zich nog in een klinische onderzoeksfase bevindt. De BrainGate2-studie, waarvan Harrell deelnemer is, werft nog steeds nieuwe proefpersonen. Toch benadrukken de resultaten het potentieel van hersen-computerinterfaces als hulpmiddel voor mensen met ALS, ruggenmergletsel en andere neurologische aandoeningen. Waar BCI’s jarenlang vooral werden gezien als veelbelovende laboratoriumtechnologie, laat deze studie zien dat langdurig, zelfstandig thuisgebruik steeds realistischer wordt. Daarmee komt een toekomst dichterbij waarin mensen die hun spraak en motorische functies verliezen, dankzij directe communicatie tussen hersenen en computer opnieuw zelfstandig kunnen deelnemen aan het sociale en digitale leven.
Gedachten omzetten
Vorig jaar zetten onderzoekers van de Stanford University ook een belangrijke stap in de ontwikkeling van brain-computerinterfaces (BCI’s) door voor het eerst innerlijke spraak, woorden die mensen alleen in gedachten uitspreken, realtime te decoderen. In een studie met vier volledig verlamde deelnemers werden hersensignalen uit de motorische cortex geregistreerd via geïmplanteerde micro-elektroden. Met behulp van AI konden ingebeelde zinnen uit een vocabulaire van 125.000 woorden met een nauwkeurigheid van 74 procent worden vertaald.
De technologie werd toen al gezien als een doorbraak voor mensen met ernstige spraak- en motorische beperkingen, zoals ALS-patiënten. Daarnaast ontwikkelden de onderzoekers een beveiligingsmechanisme waarbij gebruikers de decodering van innerlijke spraak activeren met een zelfgekozen ‘gedachtenwachtwoord’. Het systeem herkende deze activeringszin met meer dan 98 procent betrouwbaarheid en kon onderscheid maken tussen innerlijke spraak en daadwerkelijke spraakpogingen.
