Zuinig hersenimplantaat herkent mentale toestand aan samenspel van hersengebieden
Onderzoekers van EPFL bouwden een chip van 4 bij 2 millimeter die meet hoe hersengebieden samenwerken en zo concentratie en emotionele opwinding herkent. Hij verbruikt heel weinig stroom. De chip werkt al op opnames van mensen en bij ratten; patiënten zijn de volgende stap.
Onderzoekers van de Zwitserse technische universiteit EPFL hebben een piepkleine chip gebouwd die kan worden ingeplant en die in realtime herkent in welke mentale toestand iemand is. Hij doet dat door te meten hoe verschillende hersengebieden met elkaar samenwerken. De chip, genaamd LogSync, is ongeveer 4 bij 2 millimeter groot en verbruikt minder dan 200 microwatt: duizenden keren minder dan een gewone ledlamp. Het team van Mahsa Shoaran van het Integrated Neurotechnologies Lab beschrijft het werk in het vakblad IEEE Journal of Solid-State Circuits.
Waarom samenspel tussen hersengebieden telt
Bij ernstige psychische aandoeningen zoals zware depressie, posttraumatische stressstoornis (PTSS) of een dwangstoornis gaat het volgens steeds meer onderzoek niet om één hersengebied dat hapert. Het probleem zit vaker in de communicatie tussen gebieden. Vergelijk het met een orkest: niet één instrument speelt vals, maar de muzikanten lopen niet meer gelijk.
Een bekende behandeling is diepe hersenstimulatie. Daarbij geeft een implantaat kleine elektrische pulsjes aan een bepaald hersengebied. Dat wordt al veel gebruikt bij de ziekte van Parkinson, en artsen onderzoeken het ook voor zware psychische aandoeningen. De meeste van die systemen werken nu met vaste instellingen: ze stimuleren volgens een vooraf ingesteld patroon, wat er in de hersenen ook gebeurt. Systemen die zich wel aanpassen, luisteren meestal naar één enkel hersengebied.
Wat de chip doet
LogSync luistert naar meerdere hersengebieden tegelijk. Hij meet twee dingen: hoe sterk de hersengolven zijn, het ritmische op en neer van de elektrische activiteit, en hoe gelijk die golven in verschillende gebieden lopen. Een zelflerend algoritme op de chip herkent daaruit een bepaalde toestand en geeft dan een signaal om te stimuleren.
Het lastigste was de stroom. Een implantaat in het hoofd mag bijna niets verbruiken en niet warm worden. De onderzoekers ontwierpen de rekenregels en de chip daarom samen. Ze gebruiken een slimme rekentruc met logaritmes: daardoor worden zware berekeningen een stuk eenvoudiger, ongeveer zoals je met een rekenliniaal vermenigvuldigen vervangt door optellen.
Getest op opnames en bij ratten
De onderzoekers testten de chip eerst met hersenopnames van mensen uit eerdere onderzoeken. In de ene opname deden mensen een denktaak, in de andere keken ze naar filmpjes die emoties opriepen. Alleen op basis van de hersensignalen kon het algoritme zien wanneer iemand geconcentreerd was en wanneer iemand emotioneel opgewonden raakte. Daarna volgden proeven met ratten aan de University of Minnesota in de Verenigde Staten. Daar volgde het implantaat de hersengolven en gaf het precies op het juiste moment in het ritme een signaal om te stimuleren.
De volgende stap is onderzoek bij patiënten. De onderzoekers zien ook toepassingen buiten de psychiatrie: stimulatie die zich aanpast bij parkinson, en stimulatie van buitenaf, bijvoorbeeld met gerichte geluidsgolven (focused ultrasound).
Het werk wordt onder meer betaald door het Amerikaanse National Institute of Mental Health, met een subsidie van 6,6 miljoen Zwitserse frank (ongeveer 7 miljoen euro) voor implantaten tegen ernstige stemmings- en angststoornissen, en door een Europese ERC-beurs die Zwitserland financiert. Het lab werkt daarnaast aan algoritmes die zelf leren welke hersensignalen belangrijk zijn. Shoaran richtte ook het EPFL-bedrijf Infera Neuro mee op.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Dit is een stap op het pad waar mens en machine samenkomen. Een chip die zelf hersensignalen leest, begrijpt en meteen reageert, en dat met bijna geen stroom, is precies wat nodig is voor implantaten die zich aanpassen aan wat er op dat moment in de hersenen gebeurt. Lukt dat ook bij patiënten, dan kan een hersenimplantaat in de toekomst alleen ingrijpen wanneer het nodig is, als een persoonlijke dirigent die het orkest weer gelijk laat spelen.
