Wetenschap Spraaktechnologie

De computer die zegt wat je denkt – ook als je niet kunt bewegen

Een nieuwe generatie spraakcomputers moet taal rechtstreeks uit het brein gaan halen. Zo kunnen zelfs patiënten die geen spier meer kunnen bewegen, straks mogelijk weer een normaal gesprek voeren.

Beeld Hilde Harshagen

‘Hoewel ik niet kan bewegen en moet praten via een computer, ben ik vrij in mijn geest’, zei de vorig jaar overleden natuurkundige Stephen Hawking in 2010 in de documentairereeks Into the Universe. Hawking leed aan ALS, een neurologische ziekte die hem gevangen hield in zijn eigen lichaam. Toch kon hij gewoon praten tegen zijn publiek. Dat deed hij uiterlijk onbewogen: gezeten in zijn bekende rolstoel, hoofd een tikje schuin, terwijl zijn iconische monotoon-mechanische stem uit kleine speakers stroomde. De sleutel tot zijn spraak? Eén enkel spiertje in zijn wang, dat Hawking tot op het laatst kon laten trillen. Het was de enige manier waarop hij de computer kon besturen die hem een stem gaf.

Tegenwoordig sleutelen wetenschappers over de hele wereld aan een nieuwe generatie spraakcomputers. Apparaten die natuurlijker klinken en makkelijker te bedienen zijn dan de variant van Hawking. Die ook werken wanneer geen enkele spier meer kan bewegen.

Het is een ontwikkeling die dit jaar in een stroomversnelling kwam, toen drie vakartikelen verschenen waarin verschillende groepen onderzoekers beschrijven hoe ze erin slaagden spraak direct uit het menselijk brein te halen. Ze bouwden apparaten die de symfonie van vurende hersencellen herkennen die we gebruiken wanneer we praten en vertaalden die – zonder tussenkomst van menselijke stembanden – naar herkenbare woorden en zinnen uit de spraakcomputer.

Die sciencefiction-achtige technologie biedt hoop voor mensen die net als Hawking opgesloten zitten in hun eigen lichaam, zegt spraakwetenschapper Gopala Anumanchipalli (University of California, San Francisco), die in april in het vakblad Nature zijn nieuwe spraaktechnologie presenteerde. ‘Wij willen dat soort patiënten weer laten praten’, zegt hij.

Vurende hersencellen

Veel van de dingen die we in het dagelijks leven doen – fietsen, lopen, een deur openen – beginnen in het brein. Daar gaan hersencellen druk vuren, geven die signalen door aan onze zenuwen, die op hun beurt weer onze spieren aanzwengelen, zodat we uiteindelijk bewegen. Het vuren van hersencellen kun je meten, zegt neurowetenschapper Nick Ramsey (UMC Utrecht). Althans: als je elektroden in iemands brein plaatst, een proces dat nu bijvoorbeeld al plaatsvindt bij mensen met epilepsie of parkinson. ‘Buiten de schedel pik je gewoon niet genoeg detail op’, zegt Ramsey. ‘Je ontkomt dus niet aan het gebruik van elektroden.’

Onderzoek op dit gebied gebeurt daarom vaak bij patiënten die gewoon kunnen praten en al elektroden kregen om een andere reden, bijvoorbeeld voor de behandeling van epilepsie. Met diezelfde elektroden kun je vervolgens hersensignalen opvangen. ‘Wanneer je een beweging probeert te maken, zien we dat terug in de bewegingsschors in de hersenen, zelfs bij iemand die verlamd is’, zegt Ramsey. Het maakt niet uit dat het lichaam de instructies niet kan uitvoeren, de signalen in het brein die aanzetten tot beweging verschijnen gewoon.

Die signalen kun je aftappen. Door brein en machine te koppelen, kunnen verlamden op die manier bijvoorbeeld robotarmen of -benen bewegen. ‘In de toekomst kunnen we alles herstellen. Dan kunnen mensen weer lopen nadat ze verlamd zijn geraakt’, zegt Ramsey. ‘Dat geloof ik echt. Maar de grote vraag is natuurlijk: wanneer?’

Ramsey nam in 2016 alvast een voorschot op die toekomst. Hij gaf de Nederlandse Hanneke de Bruijne, door ALS opgesloten in haar eigen lichaam, een spraakcomputer die ze kon besturen met haar brein en gewoon thuis kon gebruiken – een wereldprimeur.

‘Wat we destijds deden, was eigenlijk heel basale communicatie’, zegt Ramsey. Wanneer de vrouw haar rechterhand probeerde te bewegen, herkende het apparaat het breinsignaal en vertaalde dat naar een muisklik. Doordat de letters van het alfabet een voor een verschenen op een scherm voor haar gezicht, kon zij met haar brein ‘klikken’ op het juiste moment en zo teksten typen die naar een spraakcomputer werden gestuurd.

‘Ze gebruikt die computer nu, drie jaar later, nog steeds’, zegt Ramsey. De Bruijne is inmiddels zelfs afhankelijk geworden van de zogeheten UPN (Utrecht Neuroprothese Project) van Ramsey. ‘De UPN is mijn redding’, laat ze via een verzorger weten. ‘Mijn oogspieren zijn inmiddels te traag voor een computer met oogbesturing. Zonder UPN zou ik zonder woorden zijn. Ik ben er erg blij mee.’

Volgende stap

Onderzoekers als Anumanchipalli zetten ondertussen de volgende stap. Zij menen dat spraak in essentie niet veel verschilt van bijvoorbeeld lopen. De klanken van letters en woorden ontstaan doordat we onze mond, tong en kaak bewegen met onze spieren, net zoals je stappen zet door een samenspel van bewegende beenspieren. Wie die spraakbewegingen in het brein kan herkennen, zou locked-in-patiënten hun stem kunnen teruggeven, denken onderzoekers. Een stem die, zo hoopt men, grofweg net zo klinkt als het origineel: met menselijke intonatie en een individuele toonhoogte. Een stem waarin je misschien zelfs emoties kunt herkennen.

Anumanchipalli en zijn collega’s zetten met hun onderzoek voorzichtig koers naar dat einddoel. Zij bouwden een virtuele versie van ons spraakkanaal, de optelsom van mond, tong en overige bewegende delen die we gebruiken wanneer we praten. ‘In ons onderzoek hebben we aangetoond dat je op die manier een natuurlijker klinkende stem maakt’, zegt hij.

Waar andere onderzoekers in het patroon van vurende hersencellen direct een letter of woord hopen te herkennen, bouwden zij een tussenstap in. ‘We vertaalden de signalen uit de hersencellen naar bewegingen van ons virtuele spraakkanaal’, zegt hij. ‘Daarna werden die bewegingen omgezet in gesproken woorden.’ Ze lieten, met andere woorden, een computer praten zoals mensen dat zouden doen. ‘Die aanpak leverde spraak op die mensen ook echt konden verstaan’, zegt hij.

Twee voorbeelden van een proefpersoon die een zin leest, gevolgd door het resultaat van een computer die de breinsignalen omzet naar spraak. Credit: Chang lab, UCSF Dept. of Neurosurgery.

Blijven experimenteren

Of althans: meestal. Mensen die naar door de computer uitgesproken woorden luisterden, slaagden er in 69 procent van de gevallen in dat woord ook daadwerkelijk te herkennen. En dan hadden ze vooraf al een lijst gekregen met 25 woorden waaruit ze konden kiezen. Werd die lijst langer, met 50 woorden, dan daalde het herkenningspercentage naar 47 procent. Ook onderzoeken uitgevoerd door andere groepen, met iets andere systemen, leveren tot nog toe soortgelijke percentages op. Op dit moment kan dit soort breinspraak zich dus nog niet meten met wat we dagelijks met onze monden produceren.

Bovendien spraken die proefpersonen tijdens het experiment meestal hardop, of bewogen op zijn minst de mond stilletjes mee. ‘Het is nog niet gelukt wanneer we mensen alleen aan woorden lieten denken’, zegt Anumanchipalli. Dat is overigens niet zo erg, benadrukt hij. Wanneer je verlamde patiënten dezelfde opdracht geeft, zelfs al kunnen ze niet hardop praten of de mond stilletjes meebewegen, dan ontstaat in hun brein hetzelfde patroon als bij de niet-verlamde proefpersonen, zo is de gedachte. Dat patroon kunnen de onderzoekers vervolgens herkennen en omzetten naar spraak.

Ramsey noemt de resultaten inspirerend. ‘Het duurt nog lang voordat dit bij de patiënt terechtkomt, maar het laat wel zien dat dit soort onderzoek de moeite waard is. Dat je verlamden hun stem kunt teruggeven.’

Zelf ziet hij voorlopig meer in een eenvoudiger opzet. ‘Wij vragen ons af wat je op kortere termijn al voor patiënten kunt betekenen’, zegt Ramsey. Hij gelooft in een systeem dat in het brein een beperkt lijstje woorden kan herkennen en wil binnenkort uitzoeken welke tien woorden qua breinpatroon het meest van elkaar verschillen. Dat wil zeggen: voor welke woorden de spieren die je in je gezicht moet aanspannen onderling het meest variëren.

Beeld Hilde Harshagen

Van muisklik tot gesprek

Die tien maximaal verschillende woorden zijn niet genoeg om een gesprek te voeren, geeft Ramsey toe. Maar je kunt ze wél gebruiken als commando’s, door er een nieuwe betekenis aan toe te kennen. Je zou daarmee bijvoorbeeld over een toetsenbord kunnen bewegen. Denk aan het ene woord en je cursor schuift een vakje omhoog. Een ander woord verplaatst hem een vakje naar links. En met een derde woord geef je een enter, om de letter te bevestigen. Een vooruitgang ten opzichte van die enkele muisklik uit 2016.

‘Maar het kan ook heel goed dat we straks veel meer dan tien woorden herkennen. Als je honderd woorden kunt onderscheiden, heb je zo’n systeem niet meer nodig. Dan kun je de echte betekenis van die woorden gebruiken en daarmee basale gesprekken voeren’, zegt Ramsey.

Volgens psycholoog Femke Nijboer (Universiteit Twente) is de overgang van eenvoudige muisklikken in het brein naar complete woorden en zinnen uit de hersenen halen een flinke verschuiving, die grote invloed kan hebben op patiënten. Zelf was ze lange tijd werkzaam in het vakgebied van BCI (Brain-Computer Interface), zoals het heet wanneer je computers op mensenhersenen aansluit, tot ze besloot dat ze locked-in-patiënten beter kon helpen door onderzoek te doen naar wat precies hun behoeften zijn.

‘Begrijp me niet verkeerd. Ik vind het streven van onderzoekers om dit soort mensen te helpen echt fantastisch’, zegt ze. Maar spraakcomputers die je met je brein bestuurt zijn in de praktijk volgens haar vaak niet nodig. ‘Er zijn in Nederland bijna geen klanten voor. Veel mensen sterven voordat de ziekte zo ver gevorderd is dat alleen een breininterface nog uitkomst biedt.’ Want zolang je nog iets kunt bewegen, zijn er voldoende alternatieven: spraakcomputers die je met je ogen of met een enkel spiertje kunt bewegen, bijvoorbeeld. ‘En die zijn sneller, nauwkeuriger en goedkoper.’

Bovendien zit niet elke patiënt op zo’n apparaat te wachten, zegt Nijboer. ‘Een van mijn voormalige proefpersonen, Paul Trossèl, zei bijvoorbeeld dat hij geen geklooi met zijn hersenen wilde.’ Hij was bang dat het laatste dat na zijn hersenbloeding nog goed werkte – zijn heldere geest – beschadigd zou raken tijdens een operatie. ‘Wat hij wél zocht, was een zakenpartner met een stem, zodat hij weer aan het werk kon. Nu geef ik samen met hem lezingen, zij aan zij. Ik denk dat dat hem meer helpt dan een breinimplantaat. Locked-in-patiënten hebben vaak geen technologisch probleem, maar juist een maatschappelijk probleem.’ 

Toch kan breintechnologie volgens Ramsey wel degelijk uitkomst bieden, vooral bij ALS-patiënten. Die patiënten gaan steeds verder achteruit en kiezen er daarom vaak voor te sterven zodra ze niet meer zelfstandig kunnen ademhalen. ‘Dat doen ze omdat ze op termijn  ingesloten zullen raken’, zegt Ramsey. Vanaf dan is communicatie met traditionele spraakcomputers niet meer mogelijk. ‘Als BCI een medisch geaccepteerde optie is, zullen veel van deze patiënten misschien ervoor kiezen tóch te blijven leven. Ze hoeven dan niet langer ingesloten te raken.’

Facebooken met je brein

Ook voor consumenten komen apparaten waarbij je je handen vrij hebt steeds dichterbij. Elon Musk hoopt met Neuralink mensenhersenen aan de computer te koppelen. De Amerikaanse universiteit MIT ontwikkelt AlterEgo, een soort koptelefoon waarmee je mailtjes kunt typen met alleen je gedachten. En Facebook werkt naar eigen zeggen – in het mysterieuze ‘gebouw 8’ – met zestig wetenschappers aan een technologie die het mogelijk moet maken om te typen met je brein. Het bedrijf belooft op die manier zelfs honderd woorden per minuut te kunnen verwerken, meer dan geoefende mensen op een toetsenbord halen.

‘De vraag is natuurlijk: waarom is Facebook dat aan het doen? Waar zijn ze allemaal mee bezig, daar in gebouw 8?’, zegt psycholoog Femke Nijboer. Volgens haar hoeven we ons overigens geen zorgen te maken dat dergelijke bedrijven onze diepste gedachten kunnen gaan gebruiken voor marketingdoeleinden. ‘Je moet voor dit soort technologieën echt verbaal iets proberen uit te spreken. Het gaat om de beweging van mond, tong en kaken die je daarbij maakt. Dat is iets heel anders dan je gedachten lezen’, zegt zij. Op z’n best kunnen ze een liedje herkennen dat je in je hoofd hebt en onbewust meezingt. ‘En zelfs dan kun je bijvoorbeeld je kaken op elkaar drukken. Dan verandert het patroon in je hersenen, zodat ze niets meer kunnen herkennen.’

Neurowetenschapper Nick Ramsey denkt bovendien dat het zo’n vaart niet zal lopen met de technologieën van deze bedrijven. ‘Van buiten de schedel kun je simpelweg niet genoeg informatie halen over wat zich in het brein afspeelt’, zegt hij. ‘Ik denk niet dat Facebook of Google in korte tijd voor elkaar kan krijgen wat ons als complete wetenschappelijke gemeenschap in vijftig jaar niet is gelukt.’

Haal meer uit het brein

Surfen op internet en muziek maken in een app – ook mensen met een verlamming kunnen dat tegenwoordig. Op een doodgewone tablet. En dat allemaal dankzij een hersenimplantaatje van 4 bij 4 millimeter.

Met verbonden hersenen samen een potje Tetris spelen: het kan. Hersenonderzoekers filosoferen al over een ‘internet van breinen’.

Een 58-jarige volledig verlamde Nederlandse vrouw, die alleen nog maar met haar ogen kan bewegen, is in staat te communiceren dankzij een hersenimplantaat dat haar gedachten omzet naar een computer.

Schakel een aantal hersenen aan elkaar en je hebt een organische supercomputer. Sciencefiction? Het lukte de Braziliaanse wetenschapper Miguel Nicolelis al met apen en ratten.

Zit er een limiet aan het aantal mensen dat je kunt kennen? Wat bewijst de uitslag van een schriftelijke test eigenlijk? In onze Grote Vragen Podcast beantwoorden we ‘vragen waar je nooit over na hebt gedacht maar plotseling dolgraag een antwoord op wilt hebben’.

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.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden