Brain-Computer Interface
Een interface is een manier om een apparaat te bedienen. (Check even onze begrippenlijst als je niet bekend bent met de term 'interface'.) Een tv bedien je bijvoorbeeld met een afstandsbediening. Je drukt op een knop op de afstandbediening en de tv krijgt een signaal waardoor die weet dat je naar een andere zender wilt kijken of het geluid harder wilt zetten. De afstandsbediening is dan de interface: de koppeling tussen jou en de tv waardoor je de tv dingen kunt laten doen. Bij een Brain-Computer Interface (BCI) gaat het om een koppeling waarbij we een computer dingen willen laten doen via de gedachten in onze hersenen. Je hoeft dan geen teksten meer te typen op een toetsenbord of met de muis op knoppen te klikken. De computer heeft geleerd wat je denkt. Hij kan als het ware een beetje je gedachten lezen.
Met een BCI worden de hele zwakke stroompjes die ontstaan bij de gedachten in je hoofd gemeten en doorgegeven aan een computer. De computer heeft geleerd welke stroompjes op een bepaalde plek in je hoofd horen bij een specifieke gedachte als: 'je linkerhand bewegen' om de muisaanwijzer naar links te laten bewegen, of 'je rechterhand bewegen' om de muisaanwijzer naar rechts te laten bewegen [1].
De zwakke stroompjes in je brein kunnen met zogenaamde elektroden worden waargenomen. Elektroden zijn kleine metalen schijfjes met dunne draadjes die op je hoofd worden geplakt of in een soort hoofddeksel verwerkt zitten. Zoals je in de afbeelding hierboven kunt zien, heb je nu nog een soort pet of muts nodig met elektroden om gebruik te maken van deze Natural User Interface (NUI). Daarnaast moet de computer jouw gedachtepatronen leren kennen. Dit gebeurt als volgt: je krijgt een aantal opdrachten om handelingen te verrichten: bijvoorbeeld 'klik met de muis op een knop'. De computer weet welke handeling bij welke opdracht hoort en leert zo de specifieke hersenactiviteit kennen die bij de handeling hoort. Daarna hoef je alleen aan deze handeling te denken om hem door de computer te kunnen laten uitvoeren.
Deze techniek is mede ontwikkeld door experimenten met apen [2]. Men liet eerst apen een muisaanwijzer bewegen op een computerscherm met een joystick en analyseerden daarbij de stroompjes in hun hersenen. Steeds moesten de apen de muisaanwijzer naar een vlak bewegen met een wisselende positie op het scherm. Als de muisaanwijzer in het vlak op het scherm kwam, kreeg de aap een beloning in de vorm van voedsel. Zodoende kon men de verschillende gedachtepatronen leren kennen en de aap de muisaanwijzer op de computer laten bewegen zonder joystick, enkel en alleen door aan de benodigde handelingen te denken. Uiteindelijk konden apen zichzelf voeden door voedsel te pakken met behulp van een door hun gedachten bestuurde robotarm [3].
In het onderstaande informatieve filmpje van BrainWorks worden brain-computer interfaces heel goed uitgelegd. Het filmpje is in het Engels, maar misschien kun je wel redelijk volgen wat er wordt gezegd.
Toepassingen
De stand van de techniek is nog niet zover gevorderd dat je in de winkel een BCI kunt kopen en gebruiken om je computer te bedienen of een spel mee te spelen. De toepassingen zijn nu nog vooral medisch van aard [3]. Voor mensen die verlamd zijn geraakt, biedt de techniek heel goede oplossingen. Bij sommige verlamde mensen heeft men elektrodes en een kleine computer in het lichaam aangebracht. Hierdoor kunnen ze hun armen en benen weer enigszins gebruiken. Andere mensen die helemaal verlamd zijn, kunnen via een BCI hun computer bedienen. Zo kunnen zij weer communiceren met hun omgeving, bijvoorbeeld doordat ze e-mails kunnen sturen. Personen die een deel van hun arm of been hebben verloren, kunnen met deze techniek een kunstarm of -been aansturen.
Actuele technologie
In de laatste jaren is het onderzoek naar brain-computer interfaces in een stroomversnelling geraakt. Enerzijds komt dit door ontwikkelingen bij andere technieken die gecombineerd kunnen worden, zoals machine learning, om beter en makkelijker de hersenactiviteit te kunnen waarnemen en herkennen. Anderzijds omdat grote bedrijven als Facebook en Google veel geld investeren. Facebook doet voornamelijk onderzoek naar de mogelijkheid om onze gedachten te kunnen lezen [4]. Er is inmiddels ook een open source community die zich richt op de ontwikkeling van de techniek en resultaten met elkaar deelt [5]. Een open source community is een groep enthousiaste mensen van over de hele wereld die niet betaald worden voor hun bijdrage.
Veel onderzoek richt zich op het maken van gebruiksvriendelijke manieren om de gedachtepatronen te kunnen waarnemen met elektroden, maar ook op andere technieken om de gedachtepatronen te lezen op afstand, bijvoorbeeld met lasers [5]. Daarnaast wordt er veel onderzoek gedaan naar het inzetten van de techniek. Daarbij richt men zich toch vaak op mensen die vrijwel helemaal verlamd zijn. Bijvoorbeeld om muziek te maken via je gedachten [6], of een virtuele wereld te besturen en natuurlijk het spelen van spellen. In de kunstwereld maken artiesten al gebruik van de laatste technologie om bijzondere voorstellingen te maken. Bijvoorbeeld door de gedachtepatronen en emoties te visualiseren van twee met elkaar verbonden mensen [7].
Gebruik van brain-computer interfaces
De studie van J. Zhang en anderen [8] toont aan dat kinderen een eenvoudige, algemeen beschikbare BCI in weinig tijd kunnen leren gebruiken om basistaken uit te voeren. Leeftijd en de uit te voeren taak zijn wel van invloed op de mogelijkheid van kinderen om een BCI-systeem te gebruiken.
Hoe natuurlijk is het gebruik van brain-computer interfaces bij kinderen?
In het artikel van Kristin Cobb [3] wordt beschreven hoe na het ontwikkelen van de BCI-technologie door experimenten met apen de eerste mens met een BCI ging werken. De proefpersoon werd eerst gevraagd zijn hand in verschillende richtingen te bewegen. De computer leerde hierdoor de gedachtepatronen te herkennen die bij de verschillende richtingen hoorde. Al snel hierna kon de proefpersoon de muisaanwijzer op een computer laten bewegen, zelfs zonder zijn hand daadwerkelijk te bewegen. De computer was te bedienen door alleen aan de handelingen te denken.
Uit de studie van J. Zhang en anderen [8], waarbij kinderen zonder beperkingen in de leeftijd van 6 tot en met 18 jaar eenvoudige taken moesten uitvoeren met een bci, bleek dat meer dan 90% dit ervaarde als neutraal en plezierig.
De resultaten van deze studies bevestigen dat een BCI het mogelijk maakt om een computer op een natuurlijke manier te bedienen. Er is weining tot geen training nodig voor de persoon die de BCI gebruikt, alleen de computer heeft een kleine training nodig om de gedachtepatronen van de gebruiker te leren kennen.
Bronnen
| [1] | F. Lotte, C. S. Nam and A. Nijholt, Brain-computer interfaces handbook, Boca Raton: CRC Press, 2018, p. 1. |
| [2] | P. Nuyujukian, J. Fan, V. Gilja, P. Kalanithi, C. Chestek and K. Shenoy, "Monkey models for brain-machine interfaces: the need for maintaining diversity," in 33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS, Boston, 2011. |
| [3] | K. Cobb, "The dawn of brain-machine interfaces," Biomedical Computation Review, Fall 2005. |
| [4] | A. Regalado, "Facebook is funding brain experiments to create a device that reads your mind," MIT Technology Review, 30 July 2019. [Online]. Available: https://www.technologyreview.com/s/614034/facebook-is-funding-brain-experiments-to-create-a-device-that-reads-your-mind. [Accessed December 2019]. |
| [5] | OpenBCI, "OpenBCI," 2019. [Online]. Available: https://openbci.com. [Accessed December 2019]. |
| [6] | D. Roos, "Brain-Computer Interface Allows Users to Compose Music With Only Their Thoughts," Seeker, 18 September 2017. [Online]. Available: https://www.seeker.com/health/mind/brain-computer-interface-allows-users-to-compose-music-with-only-their-thoughts. [Accessed December 2019]. |
| [7] | P. Dorfman, "2 Heads-and a brain-computer interface-are making waves in the art world," Autodesk, 22 May 2018. [Online]. Available: https://www.autodesk.com/redshift/brain-computer-interface. [Accessed December 2019]. |
| [8] | J. Zhang, Z. Jadavji, E. Zewdie and A. Kirton, "Evaluating If Children Can Use Simple Brain Computer Interfaces," Frontiers in Human Neuroscience, 4 February 2019. [Online]. Available: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnhum.2019.00024/full. [Accessed December 2019]. |