Denkend aan mijn cursor...

De bionische mens is in aantocht, dank zij nieuwe methodes om chips rechtstreeks met zenuwcellen te verbinden. Er zijn al patiënten die hun computer met een geïmplanteerde chip besturen....

VORIG WEEKEND verbaasden onderzoekers van de Amerikaanse Emory universiteit in Atlanta de wereld met een implantaat dat een directe verbinding maakt tussen brein en computer. Een patiënt met ALS, een dodelijke ziekte van het zenuwstelsel die uiteindelijk leidt tot totale verlamming, kan daarmee door te denken aan het bewegen van zijn arm een cursor over een computerbeeldscherm bewegen. Zo kan hij liggend aan de beademingsapparatuur toch communiceren.

Het geheel oogt wat primitief, maar vormt een nieuwe fase in de totstandkoming van een 'bionische' mens, die met z'n brein machines direct kan besturen en bij wie geïmplanteerde chips en elektroden ook de hersenen kunnen beïnvloeden.

Inmiddels zijn er al apparaten in de handel die, als een soort pacemaker, via een geïmplanteerde elektrode de hersenen of het ruggenmerg van stroomstootjes voorzien. Ze dienen om de pijn van chronische patiënten te verlichten, het trillen van Parkinsonpatiënten tegen te gaan en epileptische aanvallen te onderdrukken. Net zoals de moderne pacemakers de hartslag registreren en daaraan hun tempo aanpassen, zo zal de volgende generatie breinstimulatoren de signalen in de hersenen herkennen die een epileptische aanval aankondigen en proberen deze met stroomstootjes te voorkomen.

'Het gaat verschrikkelijk hard met de neuro-implantaten. Er zijn nogal wat onderzoeksgroepen mee bezig. In de komende vijf tot tien jaar zullen er heel wat toepassingen in de kliniek verschijnen', zegt prof. dr. Enrico Marani, werkzaam aan de Rijksuniversiteit Leiden en als deeltijdhoogleraar neurofysiologie verbonden aan de Universiteit Twente.

Marani neemt deel in een project om bij patiënten met een dwarslaesie functies te herstellen door het implanteren van chipachtige elektroden. Die tappen dan signalen van het ruggenmerg af en leiden ze naar de beenspieren.

Andere groepen in Denemarken, Duitsland, Engeland, de Verenigde Staten en Italië doen vergelijkbare experimenten en onderzoeken de mogelijkheden om door elektronische implantaten in hersenen of ruggenmerg de functie van verlamde armen, verwoeste netvliezen, beschadigde gehoororganen en zelfs aangetaste geheugens te herstellen.

Veel is nog futurisme, maar sommige toepassingen zullen de komende tien jaar al worden verwezenlijkt. De Amerikaanse National Institutes of Health hebben al een kwart eeuw een onderzoeksprogramma rond implantaten in het centraal zenuwstelsel en dat begint inmiddels vruchten af te werpen. Een aantal groepen maakt de stap al van kweekschaaltjes en proefdieren naar patiënten.

Doordat de microchips zich razendsnel ontwikkelen, zijn micro-elektroden inmiddels binnen handbereik: kleine silicium plaatjes waarop microscopische patronen zijn geëtst zodat contact gemaakt kan worden met individuele neuronen om hun signalen op te pikken.

In feite is de techniek een verfijning van het bekende elektro-encefalogram (EEG) waarbij met een aantal elektroden op de hoofdhuid de elektrische activiteit van de hersenencellen wordt opgepikt. Een EEG kan niet nauwkeuriger waarnemen dan op het niveau van hele gebieden van de hersenen, terwijl de micro-elektroden signalen op celniveau kunnen oppikken.

In feite zijn de chips niet meer het probleem. Dat ligt op het gebied van het wegvoeren van het signaal via kabels of een inductief systeem - zonder dat de huid doorboord hoeft te worden - en de energievoorziening van het geheel. Anders is de techniek buiten het laboratorium of een intensive care-achtige setting niet echt toepasbaar.

Van cruciaal belang is ook het contact tussen zenuwcellen en de elektroden. Sommige onderzoekers kiezen daarbij voor minuscule naaldjes in de vorm van een spijkerbed, die ze in het zenuwweefsel steken. Anderen verleiden de neuronen om uit te groeien en zich aan het elektrode-oppervlak te hechten. En het nieuwste is een hybridesysteem waarbij de hersencellen in een kweekbakje aan micro-elektroden worden gehecht, waarna het geheel bij de patiënt wordt geïmplanteerd. De hersencellen moeten een natuurlijke verbinding vormen met de cellen in het brein.

'Deze techniek is pas een paar jaar oud en we zijn nog op zoek naar niet afbreekbare materialen die een sterke hechting leveren en die tegelijkertijd geen afweerreacties van het lichaam opwekken', zegt dr. Ger Ramakers, onderzoeker bij het Nederlands Herseninstituut in Amsterdam. 'Voor het zover is dat zulke elektroden in de kliniek kunnen worden toegepast, zijn we tien jaar verder. Want er is nog maar heel weinig bekend van de processen die zich in de hersenen afspelen bij het ontstaan van netwerken van neuronen.'

In het brein moeten de neuronen geprikkeld worden zodat ze min of meer terugkeren naar een meer embryonale fase en gaan uitgroeien. Daarvoor is kennis van neurale groeifactoren en van het steunweefsel waar de cellen doorheen groeien van wezenlijk belang. 'Fundamentele kennis ontbreekt nog om te kunnen analyseren waardoor het met een implantaat fout is gegaan. En helaas gaat het meestal uiteindelijk fout.'

Toch bewijst het vorige week gemelde implantaat van de onderzoekers Phillip Kennedy en Roy Bakay van de Emory Universiteit dat er vorderingen zijn. Zij plantten een kleine glazen capsule in de motorische cortex van hun ALS-patiënt. Het glas was geïmpregneerd met 'neurotrofe' factoren die de cellen van de cortex naar de elektrode moesten lokken. Het duurde enkele weken voordat het weefsel in de elektrode was gegroeid en het elektrische contact tussen de hersencellen en de elektrode tot stand was gebracht.

Aan de North Carolina State University heeft prof. Wentai Liu een kunstmatig netvlies ontwikkeld. De chip kan een gedegenereerd netvlies vervangen. Althans zeer gedeeltelijk, want de ruim honderd miljoen staafjes en kegeltjes in de retina zijn onmogelijk allemaal te vervangen. Liu en zijn team ontwikkelden een fototransistor van 2 bij 2 millimeter die zij met pennetjes drukken in de laag van zenuwcellen in het netvlies. Bij blindheid door ziekten als retinitis pigmentosa en macula zijn alleen de fotogevoelige cellen vernietigd. De zenuwcellen zijn nog intact, zodat er nog een verbinding met de hersenen bestaat.

Inmiddels kregen in het Johns Hopkins-ziekenhuis in Baltimore vijftien patiënten een experimenteel kunstnetvlies ingebracht. Sommigen zagen licht, contouren en beweging. Harold, een zeventigjarige blinde patiënt met macula-degeneratie wist zelfs de letter H te ontcijferen en zag kleur. De kunstretina bestaat uit een raamwerkje van 5 bij 5 fotosensoren, maar opschaling naar 250 bij 250 sensoren zou, aldus de onderzoekers, geen onoverkomelijke problemen geven.

Vergelijkbare experimenten zijn uitgevoerd aan de Universiteit van Stuttgart en in de laboratoria van een consortium van veertien Duitse instituten onder leiding van de universiteit van Bonn, en aan het Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Boston. Aan de Nagoya-universiteit in Japan hebben onderzoekers een prototype gemaakt van een hybride implantaat, waarbij ze neuronen lieten groeien op een fotogevoelige chip. Klinische experimenten zijn daarmee nog niet verricht.

Terwijl het kunstoog nog in de kinderschoenen staat, is het kunstoor inmiddels halfvolwassen. De afgelopen vijftien jaar kregen duizenden voormalig doven een kastje op hun buik dat geluiden omzet in elektrische signaaltjes en deze rechtstreeks doorstuurt naar de zenuwcellen in het slakkenhuis van het oor. Alleen mensen met intacte zenuwcellen in het oor kunnen baat vinden bij zo'n cochleair implantaat. En lang niet iedereen slaagt erin de vervormde geluiden te ontrafelen tot verstaanbare spraak.

Bij mensen die geen gehoorcellen hebben, is de enige oplossing het implanteren van een elektrode direct in de gehoorkern van de hersenen. Inmiddels hebben enkele patiënten zo'n implantaat gekregen, maar de resultaten zijn lang niet zo goed als die van de cochleaire implantaten. Wat dat betreft verkeren de implantaten in de gehoorkern in het brein in het stadium waarin de cochleaire implantaten vijftien jaar geleden verkeerden.

Zowel Ramakers als Marani vinden het te vroeg voor al te verfijnde implantaten in de hersenen. Ramakers omdat er nog te veel fundamentele vragen zijn, Marani heeft ook ethische bedenkingen. 'Dat ze nu in een enkel geval functioneren, betekent niet dat ze rijp zijn voor de kliniek en mensen er hun hele leven mee rond kunnen lopen. Het is niet voor niets dat het implantaat in Atlanta is ingebracht bij een terminale patiënt.'

Maarten Evenblij

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden