Met snelle bewegingen naait een robot een soort garen in de hersenen van de proefrat. Het is echter geen naaigaren, maar een ultradun en flexibel snoertje met duizenden elektroden.
Heel precies naait de robot tot 192 elektroden per minuut in de bovenste millimeter van de hersenen van de rat.
Na 45 minuten is het werk voltooid en worden de in totaal 3072 elektroden verbonden met een microchip die aan de kop van de rat is bevestigd. En nu kunnen de wetenschappers letterlijk de gedachten van de rat lezen.
De man hierachter, de ondernemer Elon Musk, is vooral bekend van de elektrische auto Tesla en het ruimtevaartbedrijf SpaceX.
Twee jaar lang werkte zijn bedrijf Neuralink aan een hersenchip die aandoeningen als posttraumatische stressstoornis (PTSS) en parkinson kan genezen – en die op termijn machines kan besturen met denkkracht.
Twintig keer zo veel elektroden
Het principe achter de nieuwe chip is dat de minuscule elektroden zich elk aan een hersencel hechten en ieder zenuwsignaal registreren dat de cel afvuurt.
Zo is te zien hoe hersencellen met elkaar communiceren en kan de hersenactiviteit tot in detail in kaart worden gebracht.
De naaimachine naait 96 snoertjes met 32 elektroden per stuk in de hersenschors.
Tijdens het eerste experiment heeft de naaimachine het aantal elektroden vertwintigvoudigd in vergelijking met eerdere experimenten.
De ingreep zal daardoor veel minder omvangrijk zijn, want het vereiste aantal elektroden kan op een veel kleinere plek worden aangebracht.
Ook kunnen met de nieuwe methode elektroden op meerdere plekken in de hersenen worden genaaid, waarna de microchips met elkaar kunnen communiceren en samenwerken.
Dat kan ziekten verhelpen die op meerdere plekken in de hersenen ontstaan.
Neurologische aandoeningen zijn vaak te wijten aan vernietigde hersencircuits, maar de chip kan ook mensen met PTSS helpen.
De artsen hopen de stressreactie te kunnen vertragen die optreedt wanneer een soldaat mentaal wordt teruggeworpen naar het moment waarop de granaat insloeg en zijn makker voor zijn ogen werd opgeblazen.
Normaal kan zo’n traumatische herinnering het angstcentrum in de amygdala activeren, en zo dezelfde intense afschuw en angst oproepen.
De nieuwe technologie kan op termijn aflezen wanneer een traumatische herinnering in de hippocampus verschijnt, want de geïmplanteerde elektroden leggen de stressrespons vast.
Vervolgens stuurt de hersenchip elektrische impulsen via fijne snoertjes naar de amygdala.
Hier zorgen de impulsen ervoor dat het angstcentrum tot rust komt voordat de stressreactie optreedt, en zo wordt de PTSS-aanval afgewend.
Schokken worden gedempt
Al met enkele elektroden kan de microchip soms voldoende zenuwsignalen opvangen om een goed beeld te krijgen van wat er in het brein gebeurt.
In 2012 ontdekte ingenieur Roman Genov van de Canadese universiteit van Toronto dat slechts 64 elektroden in de hersenen van een rat voldoende waren om te ontdekken wanneer er een epileptische aanval aankwam.
De microchip reageerde vervolgens snel en stimuleerde het deel van de hersenen waar de aanval plaatsvond, waardoor die werd vertraagd.
In totaal wist de ingenieur 80 procent van alle epileptische aanvallen bij ratten te voorkomen.
Elektroden dempen het trillen van parkinsonpatiënten
Normaal brengt de globus pallidus de lichaamsbewegingen op gang en maakt ze soepel, maar bij parkinsonpatiënten is dit hersengebied verzwakt, waardoor ze gaan trillen en lukraak bewegen. Neuralink kan het hersengebied versterken door een verbinding tot stand te brengen met het motorische centrum in de hersenen. De verbinding is een kleine chip achter het oor. Die vangt de zenuwsignalen in het motorische centrum op die het getril veroorzaken. Daarna stimuleert de chip de globus pallidus om de bewegingen van het motorische centrum vloeiender te maken.
Zenuwsignalen van schokkerige bewegingen van een parkinsonpatiënt worden geregistreerd in het motorisch centrum.
De informatie wordt naar een microchip achter het oor gestuurd.
De chip analyseert de signalen en stimuleert de globus pallidus, die het trillen dempt.
De onderzoekers werken vergelijkbare systemen voor parkinsonpatiënten uit. Hierbij registreren de elektroden trillingen in het motorische centrum.
Daar reageert de hersenchip op door andere hersengebieden te stimuleren die de bewegingen verzachten en het trillen verminderen.
Een ander systeem waarbij hersencentra worden gestimuleerd om het trillen binnen de perken te houden, wordt al met succes gebruikt bij de behandeling van parkinson.
De methode, deep brain stimulation, heeft echter als nadeel dat hersencentra constant worden geprikkeld, of de patiënt trilt of niet, en dat is nu ook weer niet nodig.
Robotarm beweegt door denkkracht
Elektroden aangebracht in bewegingscentrum
De speciale naaimachine naait tot 96 draden die tien keer zo dun zijn als een haar in het motorische centrum om zenuwsignalen te decoderen. Elke draad is een bundel snoertjes met in totaal 32 elektroden, en ze worden om de 0,05 mm aangebracht, wat in totaal 3072 elektroden oplevert.
Elektroden registreren wens van hersenen
Als de patiënt denkt aan het bewegen van de arm, vuurt het motorische centrum al zenuwsignalen af, dus voordat de beweging wordt ingezet. De elektroden in het motorische centrum vangen alle zenuwsignalen op die nodig zijn om de wens uit te voeren om de arm te bewegen.
Wens wordt omgezet in instructies
De snoertjes leiden naar een computerchip onder de hoofdhuid. De elektronische circuits zetten de zenuwsignalen om in elektrische impulsen, die naar een robotarm worden gestuurd. Wanneer de patiënt denkt aan het bewegen van de arm, geeft de hersenchip de robotarm het bevel te gehoorzamen.
Bewegende robotarm
De stroomstootjes van de hersenchip activeren de robotarm, die daardoor beweegt. In de toekomst kan de technologie ertoe leiden dat patiënten met verlamde armen een mechanische arm kunnen aansturen.
Daarom wilden de wetenschappers het trillen graag in het motorische centrum zelf lokaliseren, maar daarvoor waren veel meer elektroden nodig – en dat was geen optie. Tot Neuralink zijn technologie verfijnde.
Denkkracht stuurt machines aan
De hersenchip beperkt zich echter niet tot het verhelpen van aandoeningen en ziekten. Met de technologie kunnen patiënten ook robots besturen met uitsluitend denkkracht.
Robotingenieur Christian Peñaloza van het Japanse Advanced Telecommunications Research Institute International toonde in 2018 aan dat een proefpersoon een robotarm kon besturen terwijl hij zijn eigen twee armen gebruikte.
De onderzoeker gebruikte een soort badmuts vol met elektroden die hersengolven door de schedel vastleggen.
Zo’n badmuts is veel minder gevoelig dan een hersenchip, en Neuralinks technologie met meer dan 3000 elektroden, die ieder afzonderlijke zenuwsignalen meten, geeft dus een nog veel gedetailleerder inzicht in wat er gaande is in het menselijk brein.