Daan Archer, NOST Tokyo
Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Samenvatting
Sinds eind jaren negentig zijn de neurowetenschappen prioriteit in het hypervergrijzende Japan. Aanvankelijk waren de programma’s gericht op conventioneel cellulair en moleculair hersenonderzoek. Enkele jaren geleden verschoof de aandacht naar toepassingsgericht multidisciplinair onderzoek voor onder meer biomedische engineering en hersen-machine-interactie. Met de komst van het nieuwe wetenschaps- en technologie basisplan dit jaar zet deze verschuiving door. Maatschappelijke noodzaak staat aan de basis.
In 1997 werd het RIKEN Brain Science Institute (BSI), Japans grootste instituut voor hersenonderzoek, opgericht net boven Tokio. Volgens ingewijden uit de opstartfase was de oorspronkelijke opzet van zowel RIKEN BSI als de gehele Japanse neurowetenschappen fundamenteel bottom-up onderzoek voor een periode van twintig jaar. Maar met de verder toenemende vergrijzing nam de maatschappelijke vraag naar concrete toepassingen al binnen enkele jaren snel toe. Om hieraan tegemoet te komen lanceerde het Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) in 2008 het Strategic Research Program for Brain Sciences (SRPBS). Belangrijk onderdeel hiervan was de ontwikkeling van toepassingen van hersen-machine-interactie. Dit jaar april trad het vierde ‘Science and Technology Basic Plan’ in werking met een looptijd van vijf jaar. Grote verandering hierbij is de keuze voor twee hoofdspeerpunten met toegepaste doelen, de zogenaamde ‘Life Innovations’ en ‘Green Innovations’ [1]. De levensinnovaties in deze R&D-leidraad voor de gehele Japanse overheid richten zich de komende jaren op regeneratieve gezondheidszorg, translationeel onderzoek, ‘levens-ondersteunende technologieën voor bejaarden en gehandicapten’, innovatieve diagnostiek en behandelingsmethoden. MEXT subsidieert hierbij in de eerste plaats onderzoek naar regeneratieve gezondheidszorg op basis van translationeel en klinisch onderzoek van iPS-stamcellen. Op een belangrijke tweede plaats komt de bestrijding van neurologische en psychiatrische aandoeningen. Hieronder volgen enkele voorbeelden van neurotechnologische toepassingen. De meeste zijn nog in ontwikkeling, maar enkele zijn al op de markt.
Hersen-machine-interactie
Eind maart 2009 presenteerden Japanse onderzoekers een sterk staaltje hersen-machine-interactie (BMI). Enkel met zijn gedachten bestuurde een werknemer van Honda de befaamde humanoïde robot Asimo. De gebruikte hybride technologie van elektro-encefalografie (EEG) en nabij-infrarood spectroscopie (NIRS) was ontwikkeld door Shimadzu, de befaamde producent van massa-spectrometrie en medische beeldvorming in samenwerking met onderzoekers van het Advanced Telecommunications Research Institute (ATR), respectievelijk gelegen in en nabij Kyoto. De mentale aansturing was nog beperkt tot vier relatief simpele bewegingen maar kende een precisie van negentig procent in de analyse van de hersensignalen, destijds uniek in de wereld. Deze prestatie was een stevige boost voor de Japanse hersen-machine wetenschappen [2].
Figuur 1: Honda-Shimadzu-ATR BMI-presentatie, April 2009. Bron: Honda
Dr. Mitsuo Kawato, directeur van de ATR Brain Information Communication Research Laboratory Group, is de leider van het multidisciplinaire BMI-onderdeel binnen het SPRBS-programma. Over de NIRS-technologie [3] is hij zeer te spreken. Kawato: “Mobiele en flexibele hersenmeting-technologieën zoals NIRS en EEG zijn uitermate geschikt voor gebruik in revalidatieklinieken waar MRI en MEG geen optie zijn. Samen met onze onderzoekspartners werken we aan NIRS-EEG-metingen tijdens revalidatie van patiënten met een herseninfarct.”
Al in 2003 pleitte Kawato bij de Japanse overheid voor een groot BMI-programma. Hij is dan ook zeer positief over het SRPBS-programma: “Dit is een uniek programma. Bij het gehele BMI-subprogramma zijn twaalf universiteiten, vier nationale instituten en twee NIRS-producenten, Hitachi en Shimadzu, nauw betrokken. De grotere BMI-projecten lopen vijf jaar en enkele kleinere subprojecten drie jaar. Eind 2012 gaan we het gehele programma evalueren.” (Voor aanvullende informatie, zie het eerdere interview met Dr. Kawato uit april 2009 [2].)
Invasieve BMI
In een vervolgproject op het gebied van invasieve BMI werkt Kawato samen met Prof.dr. Toshiki Yoshimine, voorzitter van de neurochirurgische afdeling van het Universitair Medisch Centrum in Osaka. Zij werken aan een draadloos invasief BMI-systeem bestaande uit electrocorticografische ECoG-sensoren die direct op de hersenen geplaatst worden om de elektrische activiteit van de hersenschors te meten. Yoshimine werkt al sinds 1995 met invasieve elektrodes en sinds zes jaar richt hij zijn werk op toepassingen, zoals het aansturen van prothesen.
Tijdens een recente ontmoeting gaf hij verdere uitleg. Yoshimine: “Ons uiteindelijke doel is dat invalide patiënten met ALS, ruggenmergletsel of ernstige herseninfarcten met enkel hun gedachten robotarmen of prothesen aankunnen sturen, om bijvoorbeeld zelfstandig te kunnen eten. Een andere toepassing die we onderzoeken is de therapeutische werking van invasieve-BMI bij zogeheten ‘fantoompijnen’.” Voor de ontwikkeling van zowel de BMI-kennis, hard- en software werkt Yoshimine met meerdere partners samen. Yoshimine: “Met de onderzoekers van ATR ontwikkelen we betere hersen-machine-controle van robotarmen, handen en vingers. Eerst onderzoeken we dit niet-invasief met MEG, daarna met ECoG’s. Samen met de lokale industrie in Osaka en Hiroshima werken we aan de hardware voor een draadloos BMI-systeem, zoals chips, draadloze batterijen en draadloze communicatie voor de ECoG’s. Onlangs hebben we tevens een patent aangevraagd voor een nieuw systeem van elektrodes die beter aansluiten op de vorm van het brein.” Van de losse onderdelen zijn inmiddels drie prototypen gemaakt en getest. Vanaf maart 2011 wordt voor een periode van twee jaar een volledig werkende prototype getest. Het streven is om over drie jaar een operationeel systeem te hebben dat voor minimaal vijf jaar, geïmplanteerd kan worden.
Figuur 2: Illustratie van draadloos invasieve BMI. Bron: Osaka University
Prof. Takashi Fujikado, tevens werkzaam in het UMC van Osaka, werkt aan kunstmatige retina-implantaten. Dit zijn minuscule twee-dimensionale rasters van negen elektroden die aan het zijkant op het oog geplaatst worden. Deze toepassing is voornamelijk bedoeld voor patiënten die op oudere leeftijd lijden aan retinitis pigmentosa, een oogziekte waarbij de retina beschadigd en de oorzaak is van eenderde van alle Japanners die blind worden. Sinds 2001 werkt Fujikado aan zijn technologie en heeft deze sinds 2006 met succes getest op zes patiënten. Tijdens een interview legde Fujikado de werking van het systeem uit: “Activatie van de elektrodes, bijvoorbeeld door het zien van contouren tussen verschillende objecten, resulteert in abstracte en primaire visuele informatie die door de functionerende zenuwen in het oog naar de visuele cortex achterin het brein gestuurd worden. Het resultaat is dat de patiënt de basis lijnen en contouren van het object voor zich ziet’.” Fujikado voegt hier meteen aan toe dat de huidige generaties van kunstmatige retina’s nog niet perfect zijn maar veel potentie bieden. Fujikado: “Voor de volgende fase hebben twee raster van 2×49 elektrodes ontwikkeld. Die gaan we de komende tijd testen. Voor de fase daarna pogen we door middel van grijstinten tevens diepte aan te brengen.”
Figuur 3: Illustratie en X-ray van kunstmatige retina. Bron: Osaka University
Puzzelende oma’s
Cognitief psychologen pleitten al decennia lang voor blijvende mentale training, zeker op oudere leeftijd. Puzzelen is een ideale activiteit om ons hoger cognitief vermogen intact te houden, of in ieder geval onze onvermijdelijke mentale aftakeling te vertragen. Prof. Ryuta Kawashima van de universiteit van Tohoku, ten noordoosten van Japan, valoriseert deze kennis sinds 2005 zeer succesvol naar de zogeheten “Dr. Kawashima’s Brain Training: How Old Is Your Brain?”-spellen, wereldwijd uitgegeven door Nintendo, de games producent uit Kyoto. De spellen zijn eenvoudig puzzelspellen en zijn bedoeld om vaak te spellen. Er zijn verschillende opties. Tijdens de hersenleeftijdstest krijgt de speler drie oefeningen voorgeschoteld om zijn of haar hersenleeftijd te bepalen. Tijdens de trainingsessie kan de speler kiezen uit negen oefeningen.
Figuur 4: Cover van “Brain Age”. Bron: Nintendo
De interactieve hersengymnastiek van Prof. Kawashima is sinds kort ook verkrijgbaar op de Xbox Kinect onder de titel “Dr Kawashima’s Body And Brain Exercises”. Kawashima voegt hiermee het gehele lichaam toe als controller onder het motto “een gezonde geest in een actief lichaam”.
Figuur 5: Screenshot “Dr Kawashima’s Body And Brain Exercises”. Bron: Xbox
Binnen het SRPBS-programma is tevens aandacht voor gaming, maar dan in combinatie met niet-invasieve BMI. Onderzoekers van Keio University in Tokio hebben met succes mentale aansturing ontwikkelt voor “Avatars” (digitale 3D-personages) in virtuele werelden zoals “Second Life”. Deze kennis moet in een later stadium overgezet worden naar BMI-aansturing van prothesen.
Neurofarmacie en -regeneratieve therapie
De Japanse bevolking vergrijst in rap tempo en momenteel is een op de vijf Japanners boven de 65. Naar verwachting stijgt dit aantal in de komende decennia naar een op drie en zal in 2050 bijna veertig procent van de Japanners bejaard zijn [4]. Vervolgens staat Japan bekend om het enorm hoge aantal zelfmoorden, vorig jaar waren dit er wederom meer dan dertigduizend. Daarbij zijn naar schatting 2.7 miljoen Japanners depressief. In totaal zijn dit vele arbeidsplaatsen die niet opgevuld worden of extra ziektekosten met zich meebrengen. Zodoende gaat in het nieuwe vijfjarige S&T-basisplan dan ook speciale aandacht uit naar preventieve gezondheidzorg, translationeel onderzoek op basis van iPS-stamcellen, bestrijding van depressies, de ziektes van Alzheimer en Parkinson, evenals ADHD onder kinderen.
De ingrijpende demografische veranderingen creëren een sterk opkomende neurofarmaceutische markt. In 2008 groeide de mondiale neurofarmaceutische markt met bijna tien procent en behoorden medicijnen tegen pijn, psychoses, epilepsie en depressie tot de best verkochte medicijnen [5]. Met betrekking tot het centrale zenuwstelsel, van hersenen tot ruggenmerg, werken Japanse farmaceuten ondermeer aan medicijnen tegen neurodegeneratieve ziekten als dementie, Alzheimer en Parkinson’s, en psychiatrische aandoeningen als schizofrenie en depressie. Naast conventionele medicijnen werkt de Japanse industrie aan regeneratieve medicijnen op basis van iPS-stamcellen. Hierin wordt zij bijgestaan door JPMA, de Japan Pharmaceutical Manufacturers Association, vertegenwoordiger van de R&D-georiënteerde farmaceutische industrie in Japan [6]. Onlangs spraken we in Tokio met Dr. Kazuichi Nakamura, voorzitter van het JPMA Drugs Evaluatie Committee, over de industriële interesse voor iPS-stamcellen. Dr. Nakamura, eveneens werkzaam bij de Japanse farmaceut Shionogi: “Het ontwikkelen van medicijnen is een zeer langzaam en zorgvuldig proces. Van alle medicijnen die in ontwikkeling zijn, geraakt slecht 0,0001% in de apotheek. Niet zelden wordt de ontwikkeling van medicijnen gestopt bij de veiligheidstesten wegens onvoorziene en schadelijke bijeffecten.” Desondanks volgt de Japanse industrie vol spanning de revolutionaire ontwikkelingen op het gebied van iPS-stamcellen. Dr. Nakamura licht toe: “De farmacologie is gebaat bij iPS-technologie. Zo kunnen met behulp van iPS-technieken de toxicologische bijeffecten van nieuwe medicijnen beter voorspeld worden. Maar is er nog een lange weg te gaan. Ziektemodellen in dieren, toxiciteitsonderzoek en vooral standaardisatie moeten eerst ontwikkeld worden. Nu ontwikkelt iedereen nog zijn of haar eigen cellijnen. De belangrijke volgende stap voor de industrie is de standaardisatie van iPS-cellen.”
Bronnen en meer informatie
1a- Ontmoeting bij het Cabinet Office, Januari 2011
1b- Japans 4de vijfjarenplan voor wetenschap en technologie in voorbereiding, TWA-artikel: http://www.twanetwerk.nl/default.ashx?DocumentId=14270
2- Japanse hersenonderzoekers leren van robots, TWA-artikel. Zie verderop in deze uitgave.
3- Optische topografie/NIRS, TWA-artikel. Zie verderop in deze uitgave.
4- Population Statistics of Japan, Ministry of Internal Affairs: http://www.stat.go.jp/english/data/handbook/c02cont.htm
5- The Neurotechnology Industry 2009 Report, door de Neurotechnology Industry Organization (NIO) http://www.neuroinsights.com/marketreports/marketreport2009.html
6- Japan Pharmaceutical Manufacturers Association: http://www.jpma.or.jp/english/
