24 juni 2024

Van scifi naar werkelijkheid, brein-computerinterfaces stellen toekomstige astronauten in staat alleen met hun gedachten een ruimteschip te bedienen

NASA astronaute Tracy Caldwell Dyson bij de Cupola in het ISS. Credits; NASA

‘May the Force be with you’ (sorry Jan Br.), deze lijfspreuk afkomstig uit de Star Wars saga wil ik toch even aanstippen aangaande dit blog over de brain-computer-interface (BCI), een futuristische technologie die het toekomstig astronauten moet gaan permitteren om louter met hun gedachten de controle over hun apparatuur, als cabine instrumenten, oppervlakterovers, en mogelijk ook gehele ruimteschepen te verkrijgen. Het doel van BCI (NL’s; brein-computerinterface) met betrekking tot de ruimtevaart is om het aanpassingsvermogen en het welzijn in het algemeen van astronauten in de barre ruimteomgeving te verhogen. NASA en een keur aan wetenschappelijk instituten en bedrijven houden zich bezig met BCI voor toepassingen in de ruimte, hieronder een beknopt overzicht van de stand van zaken.

Definitie BCI
De basale definitie van BCI – ook wel Brain Machine Interface of Neural Control Interface genoemd – houdt in een directe verbinding tussen een menselijk brein en een apparaat buiten het lichaam zoals een computer of robotisch apparaat. Deze interface wordt tot stand gebracht door het bewaken van elektrische signalen die tussen neuronen (zenuwcellen) worden verzonden en de vertaling van die signalen in computercode die vervolgens een actie wordt die anders zou worden uitgevoerd door commando’s te typen of het externe apparaat anderszins te manipuleren.

NASA/ESA Neurospat experiment, astronaut Frank Dewinne Credits; NASA

Zo een ‘supermind’ beperkt zich niet tot het steunen van vermoeide astronauten, of applicaties voor mensen met een handicap, maar is ook een van de pijlers achter het idee van transhumanisme, het uitbreiden van de menselijke capaciteiten buiten het fysieke lichaam. De bekendste voorbeelden betreffen medische toepassingen. De, na een ongeluk, volledig verlamde Amerikaan Dennis Degray vloog ooit een drone m.b.v. BCI.

BCI-systeem, (niet)-invasieve BCI
Ondernemingen en organisaties als Neuralink,
SP8CEVC en Braingate, ontwikkelen futuristische strategieën waarbij BCI een centrale rol speelt, op het gebied van o.a. medische applicaties. NASA i.s.m. wetenschappelijke instituten onderzoekt, al ruim twee decennia, BCI met als doel om astronauten te kunnen ondersteunen bij ingewikkelde taken voor een zo min mogelijk fysieke en mentale belasting op het gebied van o.a. communicatie, gezondheid, en de bediening van instrumenten, zie o.a. Neurocog. Een BCI-systeem verwerft hersenseignalen, die vervolgens worden geconverteerd naar digitaal formaat voor verdere verwerking. Het monitoren van de hersenen wordt geclassificeerd als invasief en niet-invasief. De meeste niet-invasieve BCI-systemen gebruiken EEG-signalen. Dit omvat de elektrische hersenactiviteit die rechtstreeks vanaf het oppervlak van de hoofdhuid wordt geregistreerd, waarvan de primaire bron de synchrone activiteit is van geclusterde corticale neuronen. Invasieve BCI-systemen meten de activiteit van enkele neuronen van micro-elektroden die rechtstreeks in de hersenen zijn geïmplanteerd. De primaire beperking van deze aanpak is dat er een chirurgische ingreep voor nodig is, hoewel het minder ruissignalen kan geven dan EEG-signalen, zie ook De Negueruela e.a. 2011.

BCI en concrete ruimtevaarttoepassingen
De belangrijkste algemene motivator voor de toepassing van BCI in de ruimtevaart omvat het vergroten van het aanpassingsvermogen van de astronauten aan de barre ruimteomgeving. Met betrekking tot in de ruimte gebaseerde robotica zou met BCI het aantal interfaces verminderd kunnen worden, wat o.a. de communicatie binnen (en/of daarbuiten) het vaartuig, het mission control en ruimtestations kan bevorderen daar men commando’s met minimale vertraging en hoge nauwkeurigheid kan verzenden. Het zou ook efficiëntere verkenning en operaties mogelijk kunnen maken m.b.t. het beveiligen en positioneren van objecten via op afstand bediende manipulatorsystemen (RMS), en de exploratie met oppervlakterovers, zie ook De Neguerela, e.a., 2011. De onderzoekers streven ernaar om in een niet al te verre toekomst een enkele astronaut mentaal verbonden te laten zijn met de meeste grote systemen van een ruimtevaartuig, in staat om rovers, RMS, en zelfs navigatie naar believen te besturen, alleen door te denken.

Onderzoeken BCI voor ruimtevaart, Neurocog
Belangrijk werk op het gebied van BCI en ruimtevaart werd verzet door Cristina de Negueruela e.a. hier het artikel uit 2008. Haar team zocht uit hoe de elektrische activiteit van een menselijk brein direct om te zetten in controle van robotische apparatuur, opdat astronauten kunnen profiteren van mentale teleoperatie van externe semi-automatische manipulatoren. Door gebruik te maken van directe signalen van de hersenen, kunnen er commando’s worden afgeleverd die de latentie en uitvoervertragingen vermijden die gebruikelijk zijn bij handmatige bediening.

Corticale neuronen, groen, in tissue, Credits; Gerry Shaw/wikimedia commons

De elektrische signalen die met een snelheid van 400 kilometer per uur tussen onze neuronen bewegen, worden overgedragen over dendrieten en axonen en deze lekken iets uit hun paden. Deze elektrische ontladingen zijn net voldoende om door elektroden te worden opgepikt. Of ze nu op de huid worden gedragen of rechtstreeks op het buitenste oppervlak van de hersenen worden geïmplanteerd, dergelijke signalen kunnen gemakkelijk worden gerepliceerd en daarom worden bestudeerd, en kunnen vervolgens worden toegewezen aan verschillende gedachte-intenties.

Begin deze eeuw experimenterde NASA met ‘Neurolab’ en ‘Neurocog‘. Uit dit onderzoek bleek dat hoewel mensen in een omgeving met microzwaartekracht (nul-G) veranderingen ervaren in hersengolfactiviteit gerelateerd aan visuele perceptie, deze veranderingen geen invloed hebben op hogere hersenfuncties zoals het oplossen van problemen. Uiteindelijk toonde het Neurcog-onderzoek aan dat vroege vormen van BCI-monitoring van neurale signalen in de ruimte werkten en dat de besluitvormingsvaardigheden van astronauten niet worden beïnvloed door de leefomstandigheden van microzwaartekracht. 

Virtueel ruimteschip in control met ‘supermind’, een ‘gedeeld brein’
In een  wetenschappelijk onderzoek uit 2013 uitgevoerd door de Universiteit van ESSEX i.s.m. NASA/JPL, testte men non-invasieve BCI voor het besturen van een simulator, een ruimtevaartuig, waarbij men moest proberen zo dicht mogelijk bij de zon te komen. Het systeem was gebaseerd op een actief display dat zogenoemde event-related potentials (ERP’s) in de hersenen van de gebruiker produceert. Deze worden in realtime geanalyseerd om besturingsvectoren voor de gebruikersinterface te produceren. De prestaties waren veelbelovend, ruim twee derde van de gebruikers bleken aan het succescriterium van de simulatie te voldoen. Ook een samenwerkingsmodus, van twee proefpersonen tegelijk, waarbij de ERP’s werden gecombineerd, was een succes. 

Het onderzoek werd uitgevoerd in het Jet Propulsion lab van NASA. De proefpersonen kregen een elektrodekapje op. Vervolgens creëerde men een computersimulatie waarin de proefpersonen de uitdaging kregen om een ruimteschip rond de zon te sturen door er alleen maar aan te denken. Het ‘ruimteschip’ werd voorgesteld door een grote cirkel op het scherm en de ‘zon’ was een witte bol die groter werd naarmate het ruimteschip dichterbij werd geleid. Acht grijze stippen waren in een cirkel rond het scherm gerangschikt en de proefpersoon gebruikte deze stippen als referentiepunten om het schip in een bepaalde richting te sturen. Toen de proefpersoon zich concentreerde op het verplaatsen van het ruimteschip naar een van de grijze stippen, werkten verschillende computers samen om de hersensignalen te lezen en de bewegingen van het ruimteschip in realtime weer te geven, zie hier meer over dit onderzoek. 

Mars habitat met Starship artistieke impressie credits; Inverse / SpaceX / FG media

Starhip, Starlink, Neuralink
Elon Musk wil van de mens een ‘interplanetaire soort’ maken, dat is zeg maar, zijn missie. In 2002 startte hij SpaceX met als ultiem doel Mars te koloniseren. Goede communicatie is dan van het grootste belang. En “If you send a million people to Mars, you better provide some way for them to communicate,” aldus Musk op Twitter. Musk bouwt aan Starship en aan Starlink voor resp. ultrasnelle reizen in het zonnestelsel en, ultrasnel satellietinernet. In 2016, introduceerde Musk Neuralink. Dit bedrijf onwikkelt implanteerbare hersen-machine-interfaces met ultrahoge bandbreedte om het menselijk brein met een computer te verbinden. Het ultieme doel van Neuralink is om de hersenprestaties te verbeteren, Musk stelde, in zijn missie betreffende Neuralink, dat de mens niet achter moet lopen bij AI, en “als je ze [intelligente machines] niet kunt verslaan, sluit je je dan bij ze aan”. Neuralink, bestaat uit een reeks flexibele polymeerdraden bezaaid met meer dan 3000 kleine elektroden die zijn aangesloten op een draadloze radio en signaalprocessor,, evenals een robot die de draden chirurgisch in de hersenen kan implanteren, waarbij bloedvaten worden vermeden om ontstekingen te verminderen. Het doel is primair voor medische toepassingen – men zou er protheses mee kunnen besturen – maar meer algemeen is het doel om de hersenprestaties van mensen te bevorderen. De technologie van Neuralink zou mensen in staat moeten stellen herinneringen op te slaan en op te halen en deze informatie te downloaden naar een robot of een andere persoon. Musk hoopt ook mensen supervisie te geven met behulp van infrarood, ultraviolet en röntgenstraling met behulp van digitale cameragegevens, zie ook Elon Musk, 2019.

Gezondheid astronauten,
Astronauten gebruiken omvangrijke en invasieve medische apparaten, waaronder elektrocardiografen, zuurstofverzadigingsmeters op de vingertop en activiteitssensoren voor enkelarmbanden. Het gebruik van deze apparaten is lastig en tijdrovend. Zoals gezegd, een extra service die de BCI-technologie zou bieden, is de continue gezondheidsmonitoring van astronauten. Door een real-time controle van hersenfuncties mogelijk te maken, zou de nabewerking van hersensignalen fundamentele inzichten kunnen geven in de gezondheidstoestand van de astronaut, inclusief vermoeidheid en verlies van aandacht, die kunnen worden gecontroleerd om onnauwkeurige operaties en foutieve commando’s te voorkomen, evenals een snellere controle van de hersenfuncties, zie o.a. ook de onderzoeken van Van Omtbergen, e.a., 2017, en van Crucian, e.a., 2020.
Uitdagingen
Ondanks de technologische vooruitgang blijven er veel uitdagingen om BCI in te zetten voor ruimtevluchttaken. Dit onderzoek schetste de grote uitdagingen m.b.t. lage informatieoverdrachtsnelheden, lange trainingstijd voor gebruikers en de veranderingen in de hersenactiviteit van de gebruikers t.g.v. vermoeidheid en afleiding. Omdat BCI-technologie doorgaans wordt bereikt en geoptimaliseerd in goed gecontroleerde experimentele omstandigheden, bestaat er ook algemene bezorgdheid over het gebruik van deze apparaten in de barre omgeving van de ruimte die gekenmerkt wordt door een veelvoud aan complexe taken, en onzekere gebeurtenissen, zie ook Van Omtbergen, 2017. Zowel niet-invasieve als invasieve BCI kennen hun tekortkomingen. Invasieve BCI’s, zijn bijvoorbeeld geassocieerd met het verlies van signaalbetrouwbaarheid in de loop van de tijd als gevolg van schade opgelopen tijdens het aanbrengen van de apparatuur. BCI biedt de nodige uitdagingen en vergt veel onderzoek. Vast staat m.i. dat het gebruk van BCI een compleet nieuwe benadering voor de organisatie van ruimteexploratie betekent. En als brein-computerinterfaces hun beloftes waarmaken is de diepgaande consequentie: onze soort zou fysieke en mentale beperkingen van het lichaam kunnen overstijgen door het versmelten van geest en machine. In 2015 gelukte het onderzoekers voor de eerste maal de beweging van collega’s te sturen in de 1ste menselijke brein-naar-brein interface. Yep, Star Wars ‘Force’ alom… Bronnen; NASA, ESA, SpaceX, Neuralink, BrainGate, Space.com, ThinkMagazine, Neuroscirn
Share

Speak Your Mind

*