Het realiseren van een rechtstreekse verbinding tussen hersenen en computer

Het realiseren van een rechtstreekse verbinding tussen hersenen en computer. De Radboud Universiteit Nijmegen, de universiteiten van Maastricht en Twente, TNO en een aantal bedrijven en patientengroeperingen bundelen in BrainGain hun krachten; doel is om recente ontwikkelingen in analyse en beïnvloeding van hersenactiviteit te gebruiken voor de verbetering van de levenskwaliteit en prestatie van patiënten én gezonde personen. Toegepaste neurowetenschap Met een SmartMix subsidie die in 2007 werken meer dan 20 partners samen aan toepassingen van neurowetenschappelijke resultaten. Het programma bestaat uit vijf onderdelen: 1 Brain-Computer Interfaces voor patiënten: controle en communicatie 2 Brain-Computer Interfaces voor gezonde gebruikers 3 Invasieve methoden voor Brain-Computer Interfaces 4 Modulatie van afwijkende hersenactiviteit door neurostimulatie 5 Zelf-modulatie van hersenactiviteit door training en feedback Door samenwerking van onderzoekers en medici met bedrijven en patiëntenorganisaties ligt de nadruk op de toepasbaarheid en bruikbaarheid van de onderzoeksresultaten. Contact: Wetenschappelijk coordinator:

Prof. Peter Desain, [email protected]

Zakelijk directeur:

Iddo Bante, [email protected]

Programmamanager:

Susanna Bicknell, [email protected]

Coordinator disseminatie:

Rebecca Schaefer, [email protected]

http://www. braingain.nl

Consortiumpartners: ACADEMISCHE PARTNERS Radboud University Nijmegen • Donders Institute for Brain, Cognition and Behavior • Institute for Computing and Information Sciences • Max Planck Institute for Psycholinguistics University of Twente • Human Media Interaction • Institute for Biomedical Technology University of Maastricht • Cognitive Neuroscience MEDISCHE PARTNERS University Medical Center Nijmegen • Neurology/ Clinical Neurophysiology • Psychiatry Universitair Medisch Centrum Utrecht • Neurosurgery Universitair Ziekenhuis Maastricht • Neurosurgery • Sint Maartenskliniek TOEGEPASTE WETENSCHAP • TNO Human Factors VALORISATIE • Dialogic INDUSTRIE • Philips • Siemens • Artinis • TMSi • QuoVadis GEBRUIKERS VERTREGENWOORDIGING • Parkinson Patiëntenvereniging • ALS Stichting • Epilepsie Vereniging

1: Brain-Computer Interfaces voor patiënten: controle en communicatie Projectleider: Prof. Stan Gielen, Donders Centre for Neuroscience, Radboud Universiteit Nijmegen In Brain Computer Interfacing (BCI) wordt een rechtstreekse verbinding tussen computer en hersenen gemaakt waarbij de gebruiker met gedachten een computer aanstuurt, of de computer de hersenen stimuleert. De technologie op dit gebied vordert zo snel, dat mogelijk over een aantal jaren een patiënt, die niet meer kan bewegen of communiceren door een ziekte als amyotrofe laterale sclerose (ALS), toch contact kan maken met zijn omgeving. Dit zou kunnen door een mentale actie, zoals het voorstellen van een beweging of de aandacht selectief te richten op een geluid. Fundamenteel onderzoek in de neuro-cognitie maakt langzamerhand duidelijk welke coderingen in de hersenen gebruikt worden bij communicatie en beweging en hoe die codes gedetecteerd kunnen worden. Een aantal bedrijven die hulpmiddelen voor gehandicapten maken gaat meewerken bij het bruikbaar maken van deze technologie voor patiënten met ALS of b.v. dwarslaesies. De werkpakketten richten zich op het direct aansturen van apparaten (bv een rolstoel, WP 1.1) of een taal-interface (WP 1.2), of het direct detecteren van intenties in woorden (WP 1.4). Ook het stimuleren van de eigen spieren kan een output zijn (WP 1.5). Een nieuwe manier van hersenactiviteit meten met infra-rood licht wordt bekeken als mogelijke kandidaat voor een BCI systeem (WP 1.6), en vanuit de neurofysiologie wordt een oplossing gezocht voor de hoog-dimensionele aard van de hersenmetingen met EEG.

Contact: Projectleider: Prof. Stan Gielen, [email protected] Perscontact Radboud Universiteit: Iris Roggema, [email protected] , 024 361 1184

1: Brain-Computer Interfaces voor patiënten: controle en communicatie Werkpakketten: WP 1.1: Thought buttons and hands-free control Coordinator: Jason Farquhar, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected] WP 1.2: ‘Dream up a letter’ typing device Coordinator: Jeroen Geuze, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected] WP 1.4: ‘Tip-of-the-tongue’ speech prosthesis Coordinator: Peter Hagoort, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected] WP 1.5: Muscle stimulation as output of a BCI system Coordinator: Jacques Duysens, St. Maartenskliniek Nijmegen Contact: [email protected] WP 1.6: NIRS-based BCI for the rehabilitation of gait Coordinator: Jacques Duysens, St. Maartenskliniek Nijmegen Contact: [email protected] WP 1.7: Adapting BCI to the plasticity of neural encodings for highdimensional output Coordinator: Bert Kappen, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected]

2: Brain-Computer Interfaces voor gezonde gebruikers Projectleider: Prof. Anton Nijholt, Human Machine Interaction, Universiteit Twente De technologie die voor patiënten ontwikkeld wordt biedt ook verschillende mogelijkheden buiten de kliniek: met dezelfde technologie is ook het vergroten van de prestatie en gezondheid of kwaliteit van leven in het algemeen te bereiken. De maatschappelijke kosten van stress zijn hoog en het aanleren van ontspanning, concentratie en meditatie zijn mogelijk een hele goede toepassing van BCI voor gezonde personen. Maar ook zonder klachten zijn er mooie toepassingen mogelijk, die breed uitgedragen kunnen worden in de maatschappij. Denk bijvoorbeeld aan het besturen van een computerspel door middel van de gedachten. Of dat informatie

alleen

op

een

beeldscherm

verschijnt

wanneer

uit

de

hersenactiviteit van de kijker blijkt dat hij/zij er ook echt visuele aandacht voor heeft. Deze toepassing kan nuttig zijn bij bagagecontrole op een vliegveld en voor luchtverkeersleiders. De werkpakketten in dit project richten zich op deze toepassingen, waarbij de visuele aandacht in real-time in kaart wordt gebracht (WP 2.1), en ook gekeken wordt of je kan detecteren wat iemand ziet (WP 2.2). Op basis van deze real-time informatie over de gebruiker kan ook de interface waar mee gewerkt wordt aangepast (WP 2.3). De BCI kan ook gebruikt worden om op afstand te navigeren in een virtuele omgeving (WP.2.4), wat ook in de context van computerspellen een mooie uitput is (WP 2.5).

Contact: Projectleider: Prof. Anton Nijholt, [email protected] Perscontact Universiteit Twente: Hinke Barry-Mulder: [email protected] , 053-4892807

2: Brain-Computer Interfaces voor gezonde gebruikers Werkpakketten: WP 2.1: Are you looking? Attention monitoring and adaptive interfaces Coordinator: Ole Jensen, Radboud University Nijmegen Contact: [email protected] WP 2.2: What do you see? Classifying images Coordinator: Jan van ERP, TNO Human Factors Contact: [email protected] WP 2.3: What do you experience? Multimodal measures of user experience Coordinator: Dirk Heylen, Universiteit Twente Contact: [email protected] WP 2.4: Where do you want to go? Motion control for virtual or remote worlds Coordinator: Jan van Erp, TNO Human Factors Contact: [email protected] WP 2.5: Play with your brain: Employing BCI in game environments Coordinator: Anton Nijholt, Universiteit Twente Contact: [email protected]

3: Invasieve methoden voor Brain-Computer Interfaces Projectleider: Prof. Nick Ramsey, Neurochirurgie UMC Utrecht Terwijl er veel BCI systemen werken met non-invasieve methodes, bieden invasieve methodes veel extra informatie die van belang is voor noninvasieve systemen, alsook opties om een directere BCI te construeren. Ondanks de bijkomende complicaties van de chirurgische ingreep zijn de mogelijkheden voor invasieve BCI systemen ook zeer groot. De werkpakketten in dit project richten zich op het gebruik van invasieve metingen om de analyses van EEG metingen die in Project 1 en 2 gebruikt worden te valideren en te verbeteren (WP 3.1). Hiernaast wordt het gebruik van electrocorticografie, waarbij hersensignalen direct op het oppervlak van de cortex gemeten worden, verder onderzocht als methode voor BCI (WP 3.2). Tenslotte wordt het neurofeedback-paradigma, uitegbreider onderzocht in Project 5, met invasieve methoden uitgewerkt voor epilepsie met behulp van diermodellen (WP 3.3).

Contact: Projectleider: Prof. Nick Ramsey, [email protected] Perscontact Universiteit Utrecht: Roy Keeris, [email protected] , 030 253 2411

3: Invasieve methoden voor Brain-Computer Interfaces Werkpakketten: WP 3.1: Optimization and qualification of EEG recording Coordinator: Pascal Fries, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected] WP 3.2: Decoding the intracranial EEG Coordinator: Eric Maris, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected] WP 3.3: Controlling EEG by means of neurofeedback Coordinator: Gilles van Luijtelaar, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected]

4: Modulatie van afwijkende hersenactiviteit door neurostimulatie Projectleider: Prof. Dick Stegeman, Klinische Neurofysiologie UMC St. Radboud, Nijmegen Geimplanteerde elektrodes kunnen niet alleen de natuurlijke activiteit van de hersenen

detecteren

maar

ook

rechtstreeks

zenuwcellen

prikkelen.

Spectaculaire resultaten om spierbevingen tenminste voor een aantal jaren te verminderen zijn reeds behaald bij Parkinson-patiënten, terwijl het mechanisme erachter nog niet goed begrepen wordt. Dit project buigt zich over de fundamentele en toegepaste vragen van neurostimulatie, voor Parkinson patiënten maar ook het onderdrukken van epileptische aanvallen staat op de agenda. De werkpakketten variëren van fundamentele diermodellen van modulatie van hersenactiviteit (WP 4.1), en in kaart brengen van de reacties van neurale netwerken op electrische stimulatie (WP 4.2), naar meer practische toepassingen voor patiënten met de ziekte van Parkinson. Zo wordt de stimulatie van diepe hersenstructuren bekeken (WP 4.3) maar ook meer oppervlakkige corticale stimulatie (WP 4.4), en de directe effecten op de controle van bewegingen bij neurostimulatie (WP 4.6).

Contact: Projectleider: Prof. Dick Stegeman, [email protected] Perscontact UMC St. Radboud: Pieter Lomans, [email protected] , 024-3613288

4: Modulatie van afwijkende hersenactiviteit door neurostimulatie Werkpakketten: WP 4.1: Animal models for modulating brain activity Coordinator: Gilles van Luijtelaar, Radboud Universiteit Contact: [email protected] WP 4.2: Neuronal network behaviour resulting from brain stimulation Coordinator: Peter Veltink, UT Twente Contact: [email protected] WP 4.3: Targeting the brain with DBS in Parkinson’s Disease Coordinator: Hubert Martens, Philips Medical Systems Contact: [email protected] WP 4.4: Targeting the brain with cortical stimulation in Parkinson’s Disease Coordinator: Dick Stegeman, UMCN St. Radboud Contact: [email protected] WP 4.6: Neuro-stimulation effects on motor control in patients with Parkinson’s disease in practice Coordinator: Herman van der Kooij, UT Twente Contact: [email protected]

5: Zelf-modulatie van hersenactiviteit door training en feedback Projectleider: Prof. Jan Buitelaar, Psychiatrie UMC St. Radboud, Nijmegen Het systeem van een BCI is ook in te zetten als er geen apparaat bestuurd hoeft te worden. Door de gebruiker informatie te geven over de eigen hersenactiviteit, kan hij/zij deze leren deze te beheersen. Dat biedt grote kansen voor de behandeling van stoornissen waarbij bijvoorbeeld door een overmaat aan activiteit van bepaalde hersencentra iemand stemmen in zijn hoofd hoort of zonder oorzaak angstig is. De nare bijwerkingen van medicijnen die ongewenste hersenactiviteit bedwingen kunnen daarmee waarschijnlijk vermeden worden. De neuro-feedback beweging claimt dat het aanleren van controle over simpele karakteristieken van eigen hersensignalen een goede behandeling van de meest uiteenlopende aandoeningen is. Het zou natuurlijk geweldig zijn als maatschappelijk problemen, zoals het grote aantal kinderen met ADHD, hiermee aangepakt kan worden. De onderzoekers wijzen echter wel kritisch

naar

deze

onbewezen

claims.

In

samenwerking

met

patiëntenorganisaties zijn gedegen studies naar de werking en effectiviteit van deze simpele systemen opgezet om de toepasbaarheid van neurofeedback te evalueren. Specifieke aandacht is er voor het ontwikkelen van neuro-feedback met fMRI (WP 5.1 en 5.5), en het evalueren van neuro-feedback met EEG voor ADHD (WP 5.3 en 5.4) en revalidatie na een hersenbloeding (WP 5.6). Daarnaast is met dezelfde technologie het vergroten van de prestatie en gezondheid of kwaliteit van leven in het algemeen te bereiken. Met vergelijkbare technieken wordt concentratie- en stressreductietraining bekeken (WP 5.7), en de mogelijkheid om neuro-feedback in te zetten bij mindfullness-training, wat nu voor verschillende psychiatrische aandoening een veelbelovende methode blijkt (WP 5.2). Contact: Projectleider: Prof. Jan Buitelaar, [email protected] Perscontact UMC St. Radboud: Pieter Lomans, [email protected] , 024-3613288

5: Zelf-modulatie van hersenactiviteit door training en feedback Werkpakketten: WP 5.1: Optimization of fMRI neurofeedback techniques Coordinator: Rainer Goebel, Universiteit Maastricht Contact: [email protected] WP 5.2: Identifying markers for EEG/fMRI: mindfulness and concentration Coordinator: Henk Barendregt, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected] WP 5.3: Identifying markers for EEG/fMRI: ADHD Coordinator: Jan Buitelaar, UMCN St. Radboud Contact: [email protected] WP 5.4: Clinical applications I: EEG neurofeedback Coordinator: Jan Buitelaar, UMCN St. Radboud Contact: [email protected] WP 5.5: Clinical applications II: fMRI neurofeedback for therapy Coordinator: Rainer Goebel, Universiteit Maastricht Contact: [email protected] WP 5.6: Clinical applications III: stroke rehabilitation in the home environment Coordinator: Michel van Putten, UT Twente Contact: [email protected] WP 5.7: Skill improvement: Stress-reduction, concentration training Coordinator: Henk Barendregt, Radboud Universiteit Nijmegen Contact: [email protected]