Brain-Computer Interface op basis van Corticale Electroden

Hersengolven die gemeten worden met EEG, kunnen gebruikt worden om apparatuur
zoals computers aan te sturen. Deze zogeheten *Brain-Computer Interface* (BCI)
techniek wordt momenteel ontwikkeld om patienten te helpen die niet meer in
staat zijn om te bewegen of te communiceren, door een spierziekte, een
dwarslaesie of door hersenbeschadiging. Als het werkt, dan kunnen patienten een
computer bedienen om te schrijven of om apparaten te bedienen zoals een TV of
lampen, door alleen maar te denken aan het maken van bewegingen. Momenteel is
de meest gebruikte methode om signalen van de hersenen af te leiden voor dit
doel de externe EEG, met electroden op de huid direct boven de primaire
motorcortex. Hoewel dit aardig werkt heeft het een aantal beperkingen. Zo zijn
de training schema*s voor de patienten lang (dagen tot weken intensief
trainen), is de maximaal haalbare prestatie matig (rond de 80% controle over de
cursor), en is er altijd getraind personeel nodig om de EEG electroden aan te
brengen en de apparatuur te bedienen. Recent is een aantal preliminaire
rapporten verschenen waarin aangetoond werd dat met electroden die onder de
schedel geplaatst zijn, direct op de cortex, veel betere resultaten te behalen
zijn. Deze rapportages zijn echter zeldzaam en ontberen de nodige
methodologische onderbouwing, omdat ze gebaseerd zijn op ad-hoc experimenten
bij patienten die electroden geimplanteerd kregen voor andere doeleinden. Er is
duidelijk behoefte aan een systematisch opgebouwde studie om een aantal
aspecten te onderzoeken die van wezenlijk belang zijn voor mogelijke
toepassing van BCI met implantaten bij verlamde patienten.

In het voorliggende onderzoek worden deze aspecten onderzocht waarbij eerst de
optimale instellingen voor BCI worden bepaald, en vervolgens de prestatie van
het resultaat van optimalisatie wordt getoetst bij een kleine groep patienten.
Het onderzoek is erop gericht om een stevige empirische basis op te bouwen
waarop implanteerbare BCI systemen kunnen worden ontwikkeld voor patienten met
totale verlamming of een onvermogen om te communiceren.
(originele text:) In het voorliggende onderzoek wordt uitsluitend het
basisvormende onderzoek verricht. Er wordt geen prototype van een
implanteerdbaar BCI systeem getest.
(amendement 12 jan 2012:) Een prototype implanteerbare EEG versterker zal
worden getest tijdens reeds geplande BCI experimenten in het huidige protocol,
op bruikbaarheid voor verlamde patienten in een toekomstig protocol.

We vragen deze patienten om computerspelletjes te spelen terwijl ze worden
gemonitored op de IEMU, waarbij ze alleen maar aan bepaalde dingen moeten
denken om de cursor in het spel te bewegen. We zullen de signalen van de
electroden opnemen en analyseren, en zetten ze om naar impulsen voor de cursor.
In totaal worden 48 patienten geincludeerd, en alle tests worden in nauwe
samenwerking met klinische staf en verpleging uitgevoerd.
Omdat de hersensignalen van cortical electroden van een goede kwaliteit zijn,
kunnen ook andere hersensystemen dan het motor systeem worden aangesproken voor
BCI. We onderzoeken systematisch vier hersenfuncties: ingebeelde beweging,
subvocale taalproductie, werkgeheugen en auditieve aandacht. Met de helft van
de patienten ontwikkelen we algoritmen om de beste signaaleigenschappen voor
BCI te extraheren, en met de andere helft van de patienten testen en evalueren
we de ontwikkelde methoden formeel. Voordat de implantatie plaatsvindt worden
hersenfuncties in kaart gebracht met behulp van functionele MRI (fMRI), zodat
we voor elke patient precies weten waar de gebieden liggen die bij de vier
hersenfuncties betrokken zijn. We zullen tevens onderzoeken of fMRI nauwkeurig
genoeg is om de beste hersengebieden voor BCI prechirurgisch te localiseren.
(amendement 12 jan 2012:) Een prototype implanteerbare EEG versterker zal
worden getest tijdens reeds geplande BCI experimenten in het huidige protocol.
Het apparaat wordt parallel aan de standaard klinische ECoG apparatuur
gekoppeld en de signalen van beide systemen worden offline vergeleken met
elkaar.

(amendement september 2012:) Een prototype implanteerbare EEG versterker zal
worden getest tijdens reeds geplande BCI experimenten in het huidige protocol.
Het apparaat wordt parallel aan de standaard klinische ECoG apparatuur
gekoppeld en de signalen van beide systemen worden offline vergeleken met
elkaar, en de juiste instellingen voor optimale BCI controle zullen worden
onderzocht.

Het belang van BCI systemen voor verlamde patienten is groot: het biedt ze
nieuwe mogelijkheden om te communiceren en apparaten te besturen via
hersengolven. Het onderzoek betreft manieren om BCI met behulp van ECoG te
optimaliseren en zal belangrijke inzichten opleveren voor verdere verbetering
van BCI die nodig is voor de klinische toepassing. Omdat Brain Computer
Interface toepassingen uiterst relevant zijn voor zowel meerderjarigen als
minderjarige kinderen met bv dwarslaesies of neuromusculaire aandoeningen,
willen we ook minderjarige kinderen vanaf 12 jaar includeren. Er zijn
aanwijzingen dat het brein van mensen zich blijft ontwikkelen tot in ieder
geval de jong-volwassenheid (Giedd et al., Nat Neurosci, 1999; Giedd, Ann NY
Acad SCi, 2004). We willen onderzoeken of de verschillen in ECoG eigenschappen
invloed hebben op de Brain Computer Interface performance. Gegeven het feit dat
het UMCU epilepsie operatie team al verschillende succesvolle 7-daagse
registraties heeft kunnen doen in kinderen vanaf 8 jaar, zijn wij ervan
overtuigd dat kinderen vanaf 12 jaar ingeincludeerd kunnen worden in deze
studie zonder de kinderen te veel te belasten.

De fMRI scan (die wordt voorafgegaan door twee korte vragenlijsten ~5 minuten)
bestaat uit 2 x 60 minuten, en wordt gedaan enkele dagen tot weken voor de
implantatie. De twee scans van 60 minuten worden ingepland naar de wens van de
patient, op verschillende dagen of op dezelfde dag met een pauze ertussen. De
taken tijdens de registratie duren ongeveer 240 minuten in totaal en worden
verspreid over verschillende dagen, afhankelijk van de conditie van de patient,
het oordeel van de arts en het verplegend personeel.

Tijdens de IEMU registratie staan de patienten onder voortdurende controle (24
uur per dag) door een laborant en een verpleegkundige en worden de patienten
dagelijks door de behandelend arts bezocht. Voorafgaand aan elke taak wordt
opnieuw gevraagd of de patient wil meewerken. Bovendien kan de laborant,
verpleegkundige of behandelend arts op elk moment besluiten om de taak niet te
laten uitvoeren. Zij worden geinstrueerd om specifiek te letten op signalen die
aangeven dat de patient op een bepaald moment mogelijk niet kan of wil
meewerken.

Het deelnemen aan dit onderzoek vormt geen risico voor meerderjarige of
minderjarige proefpersonen: fMRI scans zijn onschadelijk en alle standaard
veiligheidsmaatregelen zullen worden genomen.

(Amendement september 2012): In gevallen waar een patient met een nervus vagus
stimulator op de 3T scanner wordt gescand, zal er gebruik worden gemaakt van
een speciale scan-sequentie die is goedgekeurd door de MRI safety officer van
het UMC Utrecht, en de nervus vagus stimulator zal voor en na de scan worden
doorgemeten.

Met betrekking tot de taken tijdens de registratie: Patienten, en speciaal
kinderen, zijn in de meeste gevallen uitermate gemotiveerd om dit soort taken
uit te voeren, waardoor de belasting nihil is. Ook het risico is te
verwaarlozen: de computer die gebruikt wordt voor BCI is niet direct verbonden
met de patient of met de geimplanteerde elektroden. Het signaal dat de BCI
computer ontvangt komt van de ECoG registratie computer die continu het ECoG
registreert voor de epilepsie diagnostiek. Tests zijn uitgevoerd om eventuele
invloed van het BCI systeem op het klinische ECoG registratie systeem op uit te
sluiten en om er zeker van te zijn dat ook bij een eventuele crash van de BCI
computer de patient geen enkel risico loopt.

(amendement 12 jan 2012) Bij drie patienten wordt ook een prototype
implanteerbare EEG versterker getest (buiten het lichaam). Dit apparaat is ook
getest op veiligheid, en wordt parallel aan de klinische EEG apparatuur
gekoppeld waardoor geen risico bestaat voor verlies van klinische data. De test
procedure vindt plaats tijdens de al geplande BCI experimenten en vergroot
derhalve de belasting voor de patient niet.

(amendement september 2012): Ook wordt een prototype implanteerbare EEG
versterker getest (buiten het lichaam). Dit apparaat is ook getest op
veiligheid, en wordt parallel aan de klinische EEG apparatuur gekoppeld
waardoor geen risico bestaat voor verlies van klinische data. De test procedure
vindt plaats tijdens de al geplande BCI experimenten en vergroot derhalve de
belasting voor de patient niet.