Daan Archer, NOST Tokyo
Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Samenvatting
Een sterk staaltje brein-machine interactie: enkel met zijn gedachten bestuurde een werknemer van Honda in 2009 de humanoïde robot Asimo. Hiervoor is een gecombineerde technologie van elektro-encefalografie (EEG) en nabij-infrarood spectroscopie (NIRS) ontwikkeld. De mentale aansturing was nog beperkt tot vier bewegingen, maar kende een precisie van negentig procent bij het analyseren van de hersensignalen.
Dr. Mitsuo Kawato is zowel neurowetenschapper als robotica-expert. Hij ziet robots als een ideaal hulpmiddel om het menselijk brein te onderzoeken. Sinds 2003 is hij de directeur van ATR Computational Neuroscience Laboratories in Kyoto en geeft hij hier leiding aan bijna zestig robotica-, neuro- en BMI (brein-machine interface)-wetenschappers (1). Zijn onderzoeksgroep werkt samen met meerdere bedrijven en universiteiten. Zo werkt Kawato al vijftien jaar samen met het nabij gelegen Shimadzu, beroemd producent van onder meer instrumenten voor medische beeldvorming.
Voor het recente project met Asimo (2) ontwikkelden Kawato en Shimadzu samen ‘s werelds eerste hybride technologie van elektro-encefalografie (EEG) (3) en nabij-infrarood spectroscopie (NIRS) (4).
EEG-elektroden op de schedel meten de elektrische activiteit aan de buitenrand van het brein, veroorzaakt door signalen van zenuwcellen in het brein. Eveneens van buitenaf registreert de NIRS-spectroscoop neurale activiteit aan de rand van het brein. NIRS registreert spontane activiteit in bepaalde hersengebieden aan de hand van verandering van de hemoglobinewaarde in het bloed in de actieve gebieden. Hiermee kan NIRS hersenfuncties zoals visuele, auditieve en motorische activiteit registreren. Shimadzu ontwikkelde de hardware, Kawato de kennis en software voor analyse van de gecombineerde hersensignalen. In het uiteindelijke systeem is het mentaal verbeelden van een fysieke beweging voldoende om Asimo dezelfde beweging te laten maken.
Voordelen van het huidige niet-invasieve EEG-NIRS-systeem zijn het compacte formaat, het relatief geringe gewicht en de belofte van mogelijke mobiliteit. De keerzijde is de beperkte diepte waarop het systeem in het brein kan ‘lezen’. Momenteel registreert de technologie alleen hersenactiviteit tot enkele centimeters onder de schedel. De ‘mentale robotbestuurder’ kan hierdoor vier bewegingen van Asimo aansturen.
Figuur 1. Het menselijk brein stuurt de robot aan. Samenwerking tussen Honda, ATR en Shimadzu. (Bron: Honda, 2009).
Het brein analyseren door te bouwen
“Vijf tot tien jaar geleden liep Japan met BMI-onderzoek achter op de Verenigde Staten. De Japanse overheid stond destijds al voor het probleem van de naderende vergrijzende samenleving en de noodzaak om oplossingen en therapieën te ontwikkelen voor neurologische aandoeningen,” vertelt Kawato tijdens een interview in Tokio. “De overheid zag BMI als potentieel hulpmiddel. Het dilemma was: wachten we op techniek uit de VS of ontwikkelen we deze zelf?” Eind jaren negentig startte de Japanse overheid stimuleringsbeleid voor neurowetenschappen. In 2003 pleitte Kawato samen met Sony en Honda bij de Japanse overheid voor een forse toename van de publieke investeringen voor robotica- en hersenonderzoek. Kawato: “Mijn streven is om de werking van ons brein te analyseren door robots te bouwen. Hierdoor krijgen we inzicht in hoe we denken, beslissingen nemen en omgaan met de wereld. Daarnaast moeten we onderzoek naar robotica en BMI combineren om herseninfarcten, partiële verlammingen en neurologische afwijkingen te analyseren en te behandelen.” Volgens Tomoko Ikuta, adjunct-directeur van de life-sciences afdeling van het Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), resulteerde het stimuleringsbeleid vooral in de oprichting van het inmiddels befaamde RIKEN Brain Science Institute (5) bij Tokio. Ikuta: “In 2008 kreeg BMI in een nieuw vijfjarenplan voor hersenonderzoek een aanzienlijke positie. Voorheen richtte hersenonderzoek zich weinig op interdisciplinaire aansluitingen, nu juist wel onder andere dankzij een fusie met biomedical engineering.”
Onderwijzen is leren
Mitsuo Kawato heeft de afgelopen jaren baanbrekende onderzoeken verwezenlijkt. In 2005 begon de eerste BMI-samenwerking met Honda. Het doel was de handbeweging van de mens na te bootsen met een robothand. Een proefpersoon in een Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)(6) maakte papier-steen-schaar-bewegingen. Daarna simuleerde de robothand deze beweging perfect. In 2008 werden de rollen omgedraaid. Bij Duke University in de Verenigde Staten liep een aap op een lopende band. 250 tot 300 elektroden in zijn brein registreerden de hersenactiviteit en stuurden deze real-time via internet naar Kyoto. Daar liep een humanoïde robot op een lopende band en simuleerde de loopbewegingen van de aap. De aap in de VS volgde de loopbewegingen van de robot via een TV-monitor. Na een uur lopen probeerden de onderzoekers in de VS het volgende: men stopte de loopband van de aap. Wat zou de aap doen? Tot ieders verbazing bleef de robot in Japan lopen. De aap slaagde erin om drie minuten lang de loopbewegingen van de robot mentaal aan te blijven sturen zonder zelf te bewegen.
Om de looptaken te kunnen verrichten moest de robot meerdere fysieke taken leren. Zo kan deze robot balanceren, jongleren en een gegooide bal detecteren om deze met een honkbalknuppel weg te slaan.
Mobiele BMI
Kawato adviseert de Japanse overheid op het gebied van hersenonderzoek en robotica. Inmiddels is hij door MEXT benoemd tot projectleider van het huidige vijfjarige BMI-overheidsprogramma (7). Binnen dit programma werkt Kawato samen met enkele Japanse universiteiten en wederom Shimadzu. Kawato: “We gaan nu een stap verder en plaatsen ECoG-sensoren tussen de schedel en het brein van patiënten. Via een draadloze verbinding verzenden de sensoren de geregistreerde informatie naar een draagbaar, mobiel systeem dat iemand op de heup kan dragen. De sensoren krijgen stroom via inductie.” Als alles volgens plan verloopt dan is het mobiele systeem geschikt om neurale activiteit van patiënten te onderzoeken tijdens bewegingen. Dan kan de technologie ingezet worden voor analyse bij rehabilitatie van bijvoorbeeld verloren motorische functies, en wellicht zelfs als middel tijdens revalidatie.
“Momenteel is de techniek al geïmplanteerd bij tien tot twintig patiënten in Osaka. De eerste resultaten zijn hoopgevend. De sensoren registreren verschillende motorische functies zoals elleboogbewegingen en papier-steen-schaar-bewegingen met een precisie van negentig procent. Over vier jaar, aan het eind van het project, hopen we de techniek vervolmaakt te hebben.” Een andere mogelijke toepassing kan zijn om een verlamde hand, arm of been te activeren door middel van een prothese die over de ledemaat heen gaat of deze vervangt.
Kawato en Ikuta hopen dat de technologie na gebleken succes binnen tien jaar van het onderzoekstraject naar daadwerkelijke toepassing kan gaan. Hiervoor is het noodzakelijk om het publiek in vroegtijdig te informeren en bij het onderzoek te betrekken, beseffen ze. Kawato: “Binnen het project richten twee hoogleraren ethiek zich op de neuro-ethische aspecten van dit onderzoek en BMI in het algemeen. Belangrijk is dat we aan het publiek uitleggen wat we doen en waarom. Sinds de aanvang een jaar geleden hebben we al zes televisie-interviews gegeven.” Volgens Kawato is dit het eerste technisch-wetenschappelijke onderzoek in Japan waarbij ethici zo nauw betrokken zijn.
Toekomst
De BMI-toepassingen voor aap, robot en mens staan nog maar aan het begin. De toekomst van BMI is sterk afhankelijk van verdere technologische ontwikkeling. Onderzoek van de afgelopen jaren maakt het mogelijk om meer en meer te ‘lezen’ uit het brein, zoals visuele waarneming van letters en eenvoudige gedachten. Een stap verder is analyse van gevoelens, bewustzijn en gecompliceerde emotionele condities. Tevens is het interessant te zien hoe nauw de industrie betrokken blijft. Honda, Shimadzu en ATR zijn in Japan in ieder geval niet de enige betrokken partijen. Toyota onderzoekt samen met het RIKEN Brain Science Institute hoe BMI de mens bij kan staan bij simpele taken. Net als concurrent Honda onderzoekt Toyota mogelijkheden voor onder meer het openen van deuren.
Voor Honda en Shimadzu was de BMI-presentatie van Asimo succesvol. Kort na de presentatie in 2009 de aandelen Honda en Shimadzu.
Bronnen en meer informatie
1. ATR: http://www.cns.atr.jp/indexE.html
2. Honda Asimo: http://asimo.honda.com/
2. Asimo BMI video: http://world.honda.com/news/2009/c090331Brain-Machine-Interface-Technology/video/
3. EEG: http://en.wikipedia.org/wiki/Eeg
4. NIRS: http://en.wikipedia.org/wiki/Near_infrared_spectroscopy
5. RIKEN BSI: http://www.brain.riken.jp/
6. fMRI: http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_magnetic_resonance_imaging
7. MEXT Brainprogram: http://brainprogram.mext.go.jp/ (Japans)
