Hocus pocus – een soort magie in brein-computer interfaces (BCI)

This post is also available in Engels.

BCI-toepassingen worden door de media vaak verkeerd gemystificeerd als ‘gedachtenleesmachines’. Hier probeer ik deze valse verwachtingen tegen te gaan door te laten zien hoe BCI-toepassingen (niet) aan deze beschrijving voldoen.

De belofte: verwachtingen over BCI-controle

Het wordt soms aangenomen dat een brein-computer interface, een techniek om hersengolven te lezen en decoderen, ook in staat is de gedachten van een persoon te lezen door ze te verbinden met, bijvoorbeeld, een electroencefalograaf. Ik wil hier mijn bijdrage geven over wat de machine wel en niet kan om dit veelvoorkomende misverstand te ontmaskeren. Ik heb voor het voorbeeld gekozen van hoe het brein vingers bestuurt omdat het signaal dat van de vingers komt erg sterk is en makkelijk gemeten kan worden met non-invasieve apparaten. Daarbij heb ik zelf een experiment op dit onderwerp afgenomen tijdens mijn promotieperiode. Dit is wat ik vond.

Wetenschappers proberen al lang hersengolven te gebruiken om computers of robotarmen te besturen, maar hoe doet het brein dat met onze eigen handen? We hebben onze handen gedurende de dag voor bijna alles nodig, van `s ochtends douchen en het vasthouden van een koffiekop tot het uitdoen van ons slaapkamerlicht in de avond, en van het spelen van handbal tot het doen van goocheltrucs. Interessant genoeg heeft ons brein perfecte controle over onze vingers, maar zal een door mens gemaakte externe interface ooit leren een robothand aan te sturen? Kunnen we piano spelen zonder onze handen, gewoon door onszelf te verbinden aan een BCI-apparaat? Vergelijk bijvoorbeeld de verwachtingen over BCI wat betreft controle met wat de Kunstmatige Intelligentie al kan bereiken als het gaat om wendbaarheid van machines.

BCI kan nauwelijks een externe interface direct besturen. Verrassing!

De verwachting van het grote publiek – mede het gevolg van mooie media headlines – is dat we externe interfaces met onze gedachten kunnen besturen en dat op een dag technologie ons toe zal staan elke intentie of beweging te vangen, zoals het bewegen van een robothand. Nou, vandaag heet die techniek electroencefalografie (EEG) en daarmee kunnen we op de oppervlakte van ons hoofd hele kleine elektrische stroompjes van binnenin ons brein meten.

Maar kunnen we alles wat er in het brein gebeurt zien met behulp van non-invasieve metingen? Niet bepaald, omdat sommige hersengebieden niet meetbaar zijn, zelfs niet door de meest moderne BCI-apparaten (normaal gebruiken ze een EEG-muts die ze over het hoofd plaatsen).

Laat me de relatie tussen vingerbewegingen en neurale hersenactiviteit nu beschrijven. De simpelste en meest directe vorm van een brein-machine interface meet de motor-gecontroleerde BCI, specifiek: de intentie om vingers te bewegen (een type van motor-gecontroleerde BCI). Elke vingerbeweging is afhankelijk van zijn buurvingers (probeer je pink en middelvinger maar eens los van elkaar te bewegen. Moeilijk he?). Dit komt omdat er meerdere locaties van neuronen actief zijn die dezelfde vinger besturen.

In een experiment dat ik uitvoerde over visuele-motor controle van vingers vond ik dat losliggende groepen van neuronen afhankelijk van elkaar actief waren en in vergelijkbare tijdspatronen vuurden. Op deze manier coördineren cellen elkaar in een heus breinnetwerk wanneer je meerdere vingers beweegt. Dus als we een netwerk van neurale bronnen willen zien in het hoofd kunnen we daar niet EEG voor gebruiken. De activiteit van alle hersengebieden wordt helemaal door elkaar heen gegooid op de schedel (waar het gemeten wordt) dus het is moeilijk te zeggen of een golf op de oppervlakte van diepe neuronen kwam of van neuronen vlak onder de electrode.

Het aanzien: het brein als een netwerk van bronnen

Overtuigend bewijs suggereert dat technologie de BCI te hulp kan schieten. Zo vroegen wij vrijwillige proefpersonen om hun rechterhand in een stevige grip vast te houden. Het doel was om het netwerk van hersenbronnen te meten dat verantwoordelijk is voor vinger samentrekking (de duim en wijsvinger).

Om deze vraag te beantwoorden maten we hersengolven met een magnetoencefalografische (MEG) scanner (een soort van grote haardroger die over het hoofd wordt geplaatst) en de spiersignalen van de rechterhand met electrodes op de huid. De resultaten zie je in de afbeelding hieronder: sterk geassocieerde bronnen zijn aanwezig in het hele brein van vier proefpersonen. De boodschap is dat MEG (of EEG) signalen van het hele brein kan meten die synchroon lopen met vingerspierbewegingen. Deze toegang tot het gehele brein die we dankzij deze techniek verkrijgen kan een suggestie zijn voor een nieuwe soort BCI.

Grote finale

Om ons verhaal over BCI af te ronden, laten we eens kijken naar de voor- en nadelen van moderne technieken in het veld van BCI. Met een professionele en dure opzet kunnen we veel interessante dingen meten, zoals de intentie om te bewegen, de intentie om te spreken, of de hersenreactie op video’s en liedjes. We kunnen echter niet de intentie meten achter een complexe beslissing. Bijvoorbeeld, we kunnen niet iemands dromen meten, welk object hij in gedachten heeft, of de inhoud van het boodschappenlijstje waar hij aan denkt. Zelfs de intentie om te bewegen zal niet gedecodeerd kunnen worden met enkele electroden en simpele algoritmes omdat neurale netwerken soms diep in het hoofd begraven zitten.

Daarnaast zijn er apparaten die neurale activiteit directer meten (een nieuwe lichtverspreidingstechniek van Facebook, of in de hersenen gegroeide electrodes in Elon Musk’s Neuralink project). Daarbij komen commerciële BCI-systemen met een subset van slechts een paar electrodes, wat de reconstructie van de neurale bronnen die ik zojuist heb besproken niet plausibel maakt.

Dus, als je de volgende keer iets hoort over de wonderen van ‘gedachtenlezen’ met behulp van simpele electronica, wees je dan bewust van de verborgen truc: zoek naar de aas in de mouw van de goochelaar!

Geschreven door Cristiano Micheli, aangepast door Francie Manhardt en Monica Wagner, vertaald door Felix Klaassen Rowena Emaus