Skip to main content

En chip i hjernen er ikke længere en sci fi-drøm

Forskere arbejder på at løfte neuroteknologien fra laboratorierne og ind i patienternes dagligstue. Og på at behandle flere lidelser med BCI – en forbindelse mellem hjerne og computer.

Nathan Copeland med sin robotarm - som han har brugt til at hilse på Barack Obama. Han har sat rekord som den, som har haft et hjerneimplantat i længst tid. I dag holder han foredrag under titlen »Mit cyborg-eventyr«.Foto: Handout/AFP/Ritzau Scanpix
Nathan Copeland med sin robotarm - som han har brugt til at hilse på Barack Obama. Han har sat rekord som den, som har haft et hjerneimplantat i længst tid. I dag holder han foredrag under titlen »Mit cyborg-eventyr«.Foto: Handout/AFP/Ritzau Scanpix

Antje Gerd Poulsen, antje@videnskabogsundhed.dk

4. jan. 2023
013 min

Fakta

BCI – en hjerne-computer forbindelse

Om fem år kan tinnitus kureres med et hjerneimplantat, og mennesker med locked-in-syndrom kan snart kommunikere ved at tankestyre en computer. Det er i hvert tilfælde, hvad man må tro ud fra et par overskrifter i medierne sidste år. Uanset at overskrifterne er hårdtpumpede, har de faktisk rod i en udvikling, som i øjeblikket tager fart.

For efter årtiers eksperimenter er neuroteknologien på vej mod nye horisonter med flere aktører og fornyet interesse fra investorer, som har ført til, at teknologien nu står over for et skifte fra laboratorieeksperimenter til forsøg i patienternes hjem – og på sigt en kommerciel lancering.

Lammet mand kan mærke sin robothånd

Da Nathan Copeland, som er lammet fra brystet og ned, i 2021 trykkede præsident Barack Obamas hånd under et besøg på en konference i Pittsburgh, var han en medicinsk sensation. Ikke så meget fordi håndtrykket – og et efterfølgende fistbump – foregik via en tankestyret robotarm, men fordi Nathan Copeland kunne mærke håndtrykket. Han styrer robotarmen med tankerne via to implantater i motor cortex, men har også to andre implantater placeret i isselappens sensoriske hjernebark – altså det område, hvor følesansen holder til. Ved hjælp af elektrisk feedback fra sensorer i robothånden kunne han derfor mærke håndtrykket. Og det var nyt. Men hvordan føles et robothåndtryk?

Efter præsidenthåndtrykket besvarede Nathan Copeland spørgsmålet under et foredrag på Columbia University:

»Jeg mærker det, som om håndtrykket kommer fra min egen hånd – men ikke helt naturligt«, sagde han.

»Som regel føles det som et tryk eller en snurren. Nogle gange som varme (…) følelsen skifter, alt efter hvilke elektroder der er aktiveret, og også med strømstyrken«.

Nathan Copeland har altså ikke fået følesansen igen, men han har fået noget, der ligner. Og tilstrækkeligt til, at han med større præcision og dobbelt så hurtigt som før, han fik feedback fra sensorerne, kan gribe fat i en kop med sin robothånd.

Mand med locked-in-syndrom kunne »tale«

Eksemplet med Nathan Copeland illustrerer den udvikling, som BCI-teknologien har gennemgået inden for de seneste år i retning af mere avanceret teknologi og med flere funktioner.

Og eksemplet står ikke alene. 

I Tyskland lykkedes det i marts 2022 ifølge forskere ved Tübingen universitet at hjælpe en mand til at kommunikere ved tankens kraft, trods locked-in-syndrom på grund af fremskreden ALS.

»Vil du se Robin Hood-filmen med mig?«, spurgte han bl.a. sin søn via en robotstemme i en computer.

Manden lå i respirator, og hans syn var ved at forsvinde, så øjenstyret kommunikation var ikke længere mulig.

Men i 2018, mens han endnu havde sit syn i behold, havde han sagt ja til at få et BCI-implantat. Han fik to implantater sat ind i motor cortex. Forskerne bad ham forsøge at bevæge tungen, vippe med en fod eller løfte en hånd for at udnytte hjernesignalerne til kommunikation. Men efter tre måneder måtte de opgive. Signalerne var ikke stærke nok. I stedet anvendte de såkaldt auditiv neurofeedback, hvor manden skulle reagere med tankerne på skiftende toner. Efter intensiv træning lykkedes det, og forskerne oversatte hans hjernesignaler til et simpelt sprog: Høj tone: ja, lav tone: nej.

Og endnu et eksempel: sidste år demonstrerede neuroforskere fra Stanford University i Californien, at hastigheden for kommunikation ved tankens kraft kunne fordobles. Hidtil har patienterne tænkt et bogstav ad gangen, og nogle kunne nå op på 40 bogstaver i minuttet. Nu bad forskerne deres forsøgsperson om at tænke på at skrive et brev i hånden. Computeren oversatte hans »skrive-tanker« til tekst, og det gik altså dobbelt så hurtigt. Teknologien rykker – men stadig foregår de fleste forsøg altså i laboratorierne.

 

BCI står for »brain computer interface«, altså en forbindelse mellem hjerne og computer. De opfanger hjernens signaler og sender dem videre som elektriske signaler til nerver og muskler uden om en ødelagt rygmarv, eller oversætte dem til digitalt sprog, som kan kommunikere med en protese eller med en computer.
BCI står for »brain computer interface«, altså en forbindelse mellem hjerne og computer. De opfanger hjernens signaler og sender dem videre som elektriske signaler til nerver og muskler uden om en ødelagt rygmarv, eller oversætte dem til digitalt sprog, som kan kommunikere med en protese eller med en computer.
»Jeg mærker det, som om håndtrykket kommer fra min egen hånd – men ikke helt naturligt. Som regel føles det som et tryk eller en snurren. Nogle gange som varme (…) følelsen skifter, alt efter hvilke elektroder der er aktiveret, og også med strømstyrken«Nathan Copeland,amerikaner med indopereret BCI-implantat

Ikke alle systemer opfanger signalerne lige tydeligt

BCI findes i flere modeller mere eller mindre invasive fra implantater til EEG-caps, og mere eller mindre mobile – de fleste er ikke særligt mobile, fordi de er udviklet til forskningsbrug, så de er forbundet med flere ledninger og computere.

Udviklerne af BCI forsøger at opfinde minimalt invasive teknologier, som alligevel kan opfange signalerne tydeligt nok. Men der er et dilemma: Jo tættere elektroderne sidder på et neuron, desto tydeligere går signalet igennem, men desto mere risikabelt er det også for patienten at få indopereret elektroderne. Ud over den umiddelbare risiko ved operationen som blødning og infektion er der også risiko for ardannelse, som både kan ødelægge væv og forstyrre signalerne.

Den mindst invasive BCI er den velkendte EEG-cap, som ligner en badehætte med knopper på, og som opfanger signaler fra hele hjernen – men ikke så tydeligt, fordi det foregår fra overfladen af kraniet.

En anden – dansk i øvrigt – placeres i øregangen, og opfanger signaler fra hjernen lige omkring øret.

En tredje og nyere type BCI »Stentrode« fra firmaet Synchron består af en stent med elektroder, som føres gennem en blodåre til det sted i hjernen, som man gerne vil »aflytte« for signaler.

De mest invasive – men også dem, der modtager de tydeligste signaler, er implantaterne.

Et af de ældste og mest udbredte implantater i forskningsverdenen er »Utah array«. Den blev første gang implanteret i en menneskehjerne som led i et forsøg i 2004 og findes både til dyr og mennesker. I aber har den været implanteret i ti år, i mennesker i syv år og tre måneder.

Det er rekord for mennesker med et implantat – og rekorden kunne i øvrigt førnævnte Nathan Copeland fejre den 17. august sidste år.

For at placere implantatet skal man have fat i en hjernekirurg, som kan skære hul i kraniet og placere det lille firkantede stykke elektronik oven på hjernen, hvor de 1,5 mm lange elektroder så stikker ned i hjernen og opfanger signaler fra et bestemt område af hjernen.

Implantatet er forbundet med et gevind, som sidder oven på kraniet, hvor en stor klods med modtager, forstærker og signalprocessor skrues fast, og hvorfra et kabel fører til en computer. Hjernesignalerne digitaliseres og afkodes i computeren.

Nathan Copeland har netop den type implantat og skal tilsluttes med to kabler, fra to »stik« oven på kraniet til en computer, når han skal bruge sit BCI.

Selv om implantatet kommer tæt på neuronerne, er det ikke mange neuroner, der dækkes ind. Kun 100 neuroner pr. implantat. og selv om man kan placere flere implantater på én gang, er der alligevel tale om en forsvindende lille del af hjernens omtrent 86 milliarder neuroner.

Med de eksisterende BCI-systemer opfanger forskerne derfor signaler fra forholdsvis få neuroner – som regel nogle få hundreder, hvilket alt efter opgaven dog også kan være tilstrækkeligt. Som når det drejer sig om motor cortex og muligheden for at styre en robotarm, hvor det er et veldefineret område af hjernen, der er på arbejde. Nathan Copeland bevæger og føler med sin robothånd ved hjælp af kun 400 neuroner.

Men skal man »lytte til« og påvirke mere komplekse signaler, skal flere områder involveres. Derfor er der et kapløb i gang om at dække flest mulige neuroner.

Firmaet Paradromics har et implantat på vej, som dækker 1.600, og regner med at skalere antallet. Et skøn fra Paradromics’ CEO Matt Angle lyder, at næste generation af BCI-systemer vil dække ti eller tyve gange så mange – og at den stigningstakt vil fortsætte med et par års mellemrum i de kommende år.

Kun få mennesker har testet implantater

I snart 100 år har vi kendt til og kunnet aflæse hjernesignaler takket være den tyske psykiater Hans Berger, manden bag EEG. 

Og i flere årtier har forskere eksperimenteret med implantater på bl.a. rotter, får og aber, men samlet har kun få mennesker lagt hjerne til et implantat.

Og vel at mærke kun mennesker, hvor alvorlig sygdom eller en ulykke har afskåret dem fra noget så basalt som at gå, tale, se, høre eller føle.

Ifølge en artikel i Nature i april 2022 har omkring 35 mennesker et implantat, og 12-15 laboratorier forsker i teknologien, men flere kommer til. Flere kliniske forsøg, flere videnskabelige artikler. Og flere penge.

Udviklingen er drevet af de forskningsmæssige og teknologiske fremskridt, neurologer og ingeniører har gjort inden for de seneste fem-ti år.

I de første år gik mange forsøg ud på at bevæge en robothånd eller flytte en cursor på en skærm ved tankens kraft. Nu kan forsøgspersonerne med deres BCI løse flere forskellige opgaver og med større præcision. De kan sende tekstbeskeder og e-mail, købe ind over nettet og spille computerspil.

Det skyldes dels flere implantater forskellige steder i hjernen, dels at forskerne ved hjælp af kunstig intelligens og maskinlæring er blevet bedre til at afkode signalerne og oversætte dem til digitale signaler.

Og fra at målgruppen oprindelig var patienter med lammelser, manglende lemmer eller syns- eller hørehandicap, er der nu også en ambition om, at teknologien skal hjælpe mennesker med hjernelidelser som Parkinsons sygdom, epilepsi, demens og desuden psykiatriske diagnoser, fordi BCI også kan bruges til at sende signaler den anden vej og stimulere neuroner med lavdosisstrøm.

Nye aktører er kommet på banen

Fra primært at være en forsøgsteknologi begynder man også at se konturerne af et kommercielt gennembrud.

Nye aktører er kommet til inden for de seneste fem-ti år. I 2012 Synchron, i 2015 Paradromics og i 2016 NeuraLink.

Og fremfor alt har flere både offentlige og private midler fundet vej til neuroteknologien.

Især i USA, hvor både regeringen og militæret specifikt har udpeget området som særligt vigtigt.

Ifølge CEO for firmaet Paradromics Matt Angle nærmest vælter det ind med penge efter 20 års forskning på begrænsede budgetter. 500 millioner dollars gik til BCI-udvikling alene sidste år, og tre firmaer har foreløbig i år fået over 100 millioner dollars hver.

Paradromics er blandt dem, der har fået statsstøtte fra NIH, National Institutes of Health, og fra det amerikanske militær, DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency.

Med flere midler har producenterne mulighed for at udvikle deres teknologier, dokumentere effekten i forsøg og forberede en lancering på det kommercielle marked.

Det gør bl.a. Blackrock Neurotech, som i slutningen af året lancerer et nyt BCI under navnet »MoveAgain«. Den er udviklet sammen med University of Pittsburgh som en trådløs version, så der ikke behøver være en åben indgang til kraniet.

Mens laboratorieversionen kræver fem computere, kan »MoveAgain« håndteres af patienten selv fra en tablet. Og flere trådløse produkter er på vej.

Lanceringen af de nye trådløse modeller giver forskerne mulighed for at samle data fra flere forskellige brugere i deres naturlige omgivelser.

Andre firmaer har fra starten udviklet deres BCI som trådløse – det gælder Neuralink, Paradromics og Synchron.

Sidstnævnte har i øvrigt netop indledt kliniske forsøg i USA og har store planer om at rulle teknologien ud i den helt store skala.

 

»Idéen om, at teknologien udvikler sig til det punkt, hvor vi kan begynde at genoprette funktion og uafhængighed for en person, der har mistet den på grund af sygdom, er utrolig«Peter Yoo, senior vicedirektør for neuro­videnskab og algoritmer

BCI til millioner af patienter

Synchrons Stentrode blev testet på fire patienter i Australien i 2019, og resultaterne er netop publiceret. Nu er et nyt klinisk forsøg sat i gang på Mount Sinai Hospital i New York. Den 6. juli 2022 fik den første patient en Stentrode. I alt 16 patienter med alvorlige lammelser efter rygmarvsskade ventes at deltage.

Peter Yoo, senior vicedirektør for neurovidenskab og algoritmer hos Synchron fortæller via mail til Ugeskrift for Læger, at den mest kritiske fase efter indgrebet er vel overstået. Den fase ligger i øvrigt ikke på dagen for indgrebet, som foregår ambulant, men i dagene efter, hvor hævelsen skal lægge sig, og de første hjernesignaler gerne skal begynde at bippe ind på monitoren.

»Patienten har det godt og får besøg hjemme af Synchron-teamet, som hjælper ham med at blive fortrolig med teknologien«, fortæller Peter Yoo.

Patienten skal nu trænes i at bruge sin tankekraft til at styre sin computer og kommunikere, passe sin mailboks og købe ind over nettet, som andre mennesker.

»Idéen om, at teknologien udvikler sig til det punkt, hvor vi kan begynde at genoprette funktion og uafhængighed for en person, der har mistet den på grund af sygdom, er utrolig«, siger Peter Yoo.

Han peger på, at udviklingen inden for BCI-teknologien og vores viden om hjernen vokser med eksponentiel hastighed, så vi nu nærmer os en lancering af teknologien uden for forskernes laboratorier.

Tanken bag Synchrons BCI-system er, at det skal være tilgængeligt for millioner af mennesker, fortæller han.

»At vi bruger en minimalt invasiv tilgang, betyder, at mange flere læger kan udføre proceduren i forhold til, hvad vi ser hos andre inden for BCI-området. Som sådan kan Stentrode være meget mere skalerbar og nå et langt bredere publikum«.

Stentrode blev i første omgang finansieret af DARPA – det amerikanske militærs særlige forskningsenhed. Nu af et venture-kapitalfirma og regeringerne i USA og Australien.

Testpersoner har organiseret sig

At der til dato ikke er udført flere kliniske forsøg, hænger naturligvis sammen med risikoen ved at koble menneske og maskine. I hvert tilfælde, når det gælder implantater.

Derfor udvikler flere af aktørerne også skræddersyede metoder og særligt operationsudstyr, som minimerer risikoen.

Men hvor længe kan implantatet sidde, når først det er på plads?

Nathan Copeland er som nævnt den, der har haft sit implantat længst – i mere end syv år – uden problemer. Men ingen kender endnu langtidsudsigterne for mennesker med hjerneimplantater. Og et uløst problem er, at teknologien efter al sandsynlighed skal opgraderes med tiden – og hvordan gør man det uden at udsætte patienten for endnu en risikabel hjerneoperation? Og hvad sker der, hvis leverandøren går konkurs? Hvem er så ansvarlig for opdateringer, problemer og for i givet fald at fjerne implantatet igen?

Der er altså stadig masser af usikkerheder og spørgsmål. Praktiske, men også store etiske spørgsmål. For hvor er vi på vej hen med BCI-teknologien?

Nathan Copelands beskrivelse af håndtrykket som noget »ikke naturligt« giver en idé om, hvad kombinationen af menneske og maskine også handler om. Nemlig at teknologien ikke genetablerer menneskelige egenskaber en til en, men giver mennesker nogle hidtil ukendte hybride egenskaber. Desuden mulighed for en udvidelse af menneskets repertoire med for eksempel nattesyn og superhørelse, noget som især interesserer militæret.

Nogle af de mange spørgsmål optager i særlig grad de første testpersoner, som har lagt hjerne til implantater. Og nogle af dem har nu organiseret sig i »BCI Pioneers Coalition«. Blandt dem Nathan Copeland. BCI-pionererne vil gerne undgå, at den hastige udvikling og voksende konkurrence ender med skuffede patienter, som har sat deres lid til, at et neuroteknologisk mirakel var lige om hjørnet. Eller at sikkerheden bliver sat over styr i farten. I deres sammenslutning deler de erfaringer og støtter nye testpersoner, så de er bedre rustet til de udfordringer, de vil møde, når de optræder som »medicinske gennembrud«.

Nathan Copeland indgår ikke længere i forsøg, men rejser rundt og holder foredrag om sine erfaringer med BCI under titlen »Mit cyborg-eventyr«. Han er sci fi-fan, og har – naturligvis – også udnyttet teknologien til at kæmpe med Star Wars-lyssværd. Og så fremstiller han kryptokunst ved hjælp af sit BCI.

Der er i øjeblikket tekniske problemer med at vise kommentarer på Ugeskriftets artikler. Vi arbejder på sagen