Category Archives: brain-machine interfaces

Will the Terminator come to life?

Humankind in 2050

Elon Musk recently launched his Neuralink company. What Musk aims to achieve is actually a good indication of what tomorrow’s technology could look like. He wants to make direct contact with our brains in order to connect people with each other. The exchange of information without any speech or typing. That technology, in which electronics are applied within our brains, is now being developed. 

Will humans become cyborgs by 2050? If they do, is that such a bad thing? Wouter Serdijn, Professor in Bio-Electronics at TU Delft, is thinking out loud.

Wouter Serdijn

What is going to happen actually makes logical sense from an evolutionary perspective. There will be further integration of humans and technology. Basically, people are large electrochemical machines. The slow process of information exchange within our bodies takes place by means of hormones and rapid exchange of information is achieved through electricity and neurotransmitters. It is possible to use electronics to influence the interaction between the two.
It is now already standard practice for people born deaf to be given a cochlear implant. By 2050, blind people will be fitted with retinal implants as a rule. It will look much better than it does today. Currently, it is still a type of camera and you can clearly tell that someone is disabled, but by then it will be fully integrated into the eyeball.
By 2050, we will have an even better understanding of how the human brain works. This will enable us to engage in improved interaction with the brain in order to offer even better treatments. Actually, the way we currently suppress medical disorders is quite cruel. This is why I hope to see a fully-fledged alternative for the chemical medicines that come with an arsenal of nasty side-effects. That is why we are, for example, working on injectable electronic medicines. That has to be the way forward.

My primary focus is on improving quality of life for people who are slightly disadvantaged from a medical perspective. The idea of using technology to improve ourselves, or even make ourselves bigger, is quite attractive. Even if there is no real medical need for it, as Elon Musk and others envisage. We will probably become integrated with the internet. What will the value of an individual person then be? Will privacy still exist in the collective? These are issues that we must monitor carefully.

We need to watch out for horror-film scenarios, without becoming technophobes. Yes, it is possible to influence all sensory, motor and empathic processes electrically. It is already possible to achieve it chemically and people seem to have few issues with that. Fifty years ago, people were still afraid of a television that could rewind. Yet we are now embracing interactive TV. We are going fast forward into the future. By 2050, I hope that we all live much more pleasant lives and grow old with integrated electronics. Then, looking back, you will no longer wish to return to 2017. 

Text: Marieke Roggeveen
Photo: Marieke Roggeveen

Komt de Terminator tot leven?

De mens in 2050

Elon Musk lanceerde onlangs zijn bedrijf Neuralink. En wat Musk wil is een goede indicatie van de technologie van de toekomst. Hij wil direct contact maken met onze hersenen en daarmee mensen met elkaar verbinden. Informatie-uitwisseling zonder spraak of typen. Die technologie, waarbij elektronica in onze hersenen wordt geïmplementeerd, is nu in de maak. 

Is de mens een cyborg in, zeg, 2050? En is dat erg? Wouter Serdijn, Professor in Bio-Elektronica aan de TU Delft, vraagt het zich hardop af.

Wouter Serdijn

Wat er gaat gebeuren is eigenlijk evolutionair best logisch. Er gaat een verdere integratie van mens en technologie plaatsvinden. De mens is een grote elektrochemische machine. De langzame informatie-uitwisseling in ons lichaam vindt plaats door middel van hormonen; de snelle informatie-uitwisseling door middel van elektriciteit en neurotransmitters. Je kunt de interactie tussen die laatste twee beïnvloeden met elektronica.
Zo is het nu al standaard dat mensen die doof geboren worden een cochleair  implantaat krijgen. In 2050 krijgen mensen die blind zijn standaard een retinaal implantaat op hun netvlies. Dat zal er veel beter uit zien dan vandaag. Het is nu nog een soort van camera, je ziet duidelijk dat iemand gehandicapt is, maar tegen die tijd zit het volledig in de oogbol.
We zullen in 2050 nog beter begrijpen hoe onze hersenen werken. En daardoor dus beter de interactie aan kunnen gaan met onze hersenen om betere behandelingen te kunnen bieden. Eigenlijk worden medische defecten nu op een zeer brute manier onderdrukt. Ik hoop daarom op een volwaardiger alternatief voor chemische geneesmiddelen, die hebben echt een batterij aan bijwerkingen. We werken daarom bijvoorbeeld aan injecteerbare elektronische medicijnen. Die kant moet het opgaan.

Ik richt me vooral op het verbeteren van de kwaliteit van leven bij mensen die medisch wat minder fortuinlijk zijn. Het zal zeker ook aantrekkelijk worden om onszelf via technologie te verbeteren. Of vergroten. Ook wanneer er geen medische noodzaak voor is, zoals Elon Musk en anderen dat willen Waarschijnlijk worden we dan geïntegreerd met het Internet. Wat is dan nog de waarde van de individuele mens? Bestaat er dan nog privacy in het collectief? Dat moeten we goed in de gaten gaan houden.

We moeten waakzaam zijn voor filmscenario’s, maar vooral geen technofoben worden.  Ja, je kunt alle sensorische, motorische en empatische processen elektrisch beïnvloeden. Dat kan nu ook al, chemisch, en daar lijken mensen minder problemen mee te hebben. In de jaren 50 nog was men bang voor een televisie die kon terugkijken. Nu omarmen we onze interactieve tv. We gaan fast forward naar de toekomst. In 2050 hoop ik dat we allemaal op een veel prettigere manier leven en oud worden met geïntegreerde elektronica. Dan wil je echt niet meer terug naar 2017.

Tekst: Marieke Roggeveen
Foto: Marieke Roggeveen

Acting on the potential of action potentials: will bioelectronic medicines be the next biologics?

Article in The Pharmaceutical Journal9 DEC 2016, By Emma Dorey

Bioelectronic medicine is a new approach to treating major chronic diseases that could give doctors and patients alternatives to costly mainstream medicine and may become as commonly prescribed as chemical or biological drugs. Some researchers and pharmaceutical companies are already taking this potential new class of treatments seriously and, as promising results emerge, others are expected to follow.

Imagine a prescription from your doctor, not for tablets but for a tiny electrical device implanted on a nerve in your neck. The device will monitor and treat your condition — whether it is diabetes, asthma, hypertension or even cancer — by modulating electrical impulses.

Pharmaceutical drugs can be highly effective, but don’t work for everyone. They tend to work systemically, often causing a variety of adverse effects, and rely on patient adherence. As a result, there are still countless chronic diseases that remain untreated or poorly treated by mainstream medicine. Enter bioelectronic medicines, a new group of therapies that work by transmitting electrical impulses along nerve fibres, rather than through molecular mechanisms. Tapping into the electrical wiring of the body, bioelectronic medicines — also called electroceuticals — could transform pharmaceutical treatment of many chronic diseases, providing an alternative or adjunct to traditional chemical or biological drugs. With technical advances and burgeoning research activity, this revolutionary approach to treating disease is starting to become a reality.

“Drugs are based on exercising the chemical component of our nervous systems and tend to act very globally. Electroceuticals act locally,” explains Wouter Serdijn, a bioelectronics researcher at Delft University of Technology in the Netherlands and University College London. “Moreover, contrary to drugs, electroceuticals have an instantaneous effect and their effect is reversible. It takes quite some time for drugs to [exert] their beneficial effect and, as a consequence, it takes quite some time to be able to administer the right dose.”

Wouter Serdijn, a bioelectronics researcher at Delft University of Technology in the Netherlands and University College London

Source: Courtesy of Wouter Serdijn

It’s a tall order. “The problem with nerves is that they usually are grouped in bundles and they carry information to and from the brain, from and to the organ; often to more than one organ or to more than one part of an organ,” explains Serdijn. “So stimulation and recording nerves becomes a delicate and highly selective task.”

Serdijn agrees: “I think pharma perceives electroceuticals as a game changer.”

U.S. Government Awards $20 Million for Electroceuticals Research

nerves

Image: Pradeep Rajendran and Rosemary Challis/Shivkumar Lab/UCLA

The U.S. National Institutes of Health (NIH) wants better ways to treat disease with electrical stimulation, and last week announced the recipients of more than US $20 million in funding for the field. The awards aim to improve maps of the peripheral nervous system—the body’s electrical wiring—and generate sophisticated systems that can hack into its codes.

The funding is part of a $248 million, seven-year program that the NIH Common Fund announced in 2014. Last week’s awards mark the start of the core of that program. Up to $39 million in additional awards will be announced next year. The agency will begin accepting applications for those awards by early 2017, says NIH’s Gene Civillico, who heads up the funding program, called SPARC, or Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions.

Researchers have for decades been electrically stimulating the brain, the spinal cord and peripheral nerves in an attempt to alleviate ailments such as Parkinson’s disease, epilepsy, pain, and paralysis. The technique can work as well or better than drugs, leading some to dub the field “electroceuticals.” Several companies sell such devices with approval from the U.S. Food and Drug Administration (FDA).

Those tools have seen some success. In clinical studies they have been shown to reduce seizures and symptoms of rheumatoid arthritis, and help people regain bladder control and muscle mobility.

The tools on the market are surprisingly simplistic. In most systems, a pulse generator blindly sends electrical impulses along a lead to electrodes that are placed on a nerve. With enough intensity, the stimulation causes neurons to fire. Those induced impulses, called action potentials, are just like the ones produced naturally by the body. The signals travel along neural networks in different temporal patterns, communicating with the body and influencing chemical and biological processes.

The problem with current devices is that they shoot electrical impulses broadly at nerves in patterns that don’t begin to mimic the body’s natural code. It’s miraculous that the body responds at all to these crude signal patterns. And often the devices activate entire nerves, rather a subset of particular fiber groups, wasting battery power and creating side effects.

That leaves a lot of room for improvement—an exciting prospect for engineers. Many more diseases could be treated with electrical stimulation if the devices were designed more elegantly, say leaders in the field. New designs for electrodes and other tools must better interface with the body and activate nerves that are currently out of reach. And such tools must selectively activate key fibers within the nerve that perform specific functions, these leaders say.

To do that, we need a better understanding of the anatomy of neural circuits—where they are and what they do. We also need to know the precise signal patterns neural circuits use to communicate with organs. In other words, if we want to hack the system, we need maps and codes.

Those are the kinds of breakthroughs NIH Common Fund intends to stimulate with the awards. “We’re seeing a fair bit of clinical success, but with fairly primitive understanding of what the stimulation is actually doing,” says Civillico.

The awards focus on treating conditions such as heart disease, asthma and gastrointestinal disorders. The program’s leaders want researchers to focus on peripheral nerves—those that connect the brain and spinal cord with the rest of the body—because of their potential direct effects on organ systems and their accessibility. (The brain is far more complex, and harder to map.)

Google wil nu ook data uit je lichaam

Google wil nu ook data uit je lichaam

Bio-elektronica Techbedrijven verzamelen met farmareuzen zeer gevoelige informatie over medische aandoeningen. Ligt die straks bij je baas of je verzekeraar?

MRI-scan van een jongen van 9. Aan het verzamelen en verwerken van medische data kleven privacyrisico’s. Foto ANP

Wouter van Noort, NRC Handelsblad, 7 augustus 2016

Gadgets die werken als medicijnen. Het is de toekomst als een groeiende groep farmacie- en technologiebedrijven zijn zin krijgt. Googles moederbedrijf Alphabet kondigde vorige week een samenwerking aan met farmareus GlaxoSmithKline (GSK) op het gebied van zogeheten bio-elektronica, minuscule implanteerbare apparaatjes die via elektrische signalen ziektes kunnen genezen en voorkomen. Ook Apple en Samsung werken al een tijdje aan bio-elektronica en biosensoren: meetapparaatjes voor lichamelijke functies die je zowel buiten als binnen in je lijf kunt dragen.

Apple en Samsung hebben, net als Google, bovendien steeds nauwere banden met de farmaceutische industrie. Googles zusterbedrijf Verily, dat zich helemaal richt op farmaceutische toepassingen, sloot op andere gebieden al eerder samenwerkingen met Johnson & Johnson en Novartis. Apple werkt ook samen met GSK, en Samsung investeert veel om zelf meer een farmaceutisch bedrijf te worden.

Dat juist bedrijven uit de consumententechnologie ineens zo geïnteresseerd zijn in de farmacie, en vooral in de bio-elektronica, roept interessante vragen op. Met name over privacy: behalve informatie óver mensen, kunnen technologiebedrijven dankzij bio-elektronica straks namelijk ook data verzamelen ín mensen.

„Ik ben er niet gerust op”, zegt Wouter Serdijn, hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft en London University College. „Een bedrijf als Google weet al heel veel van je, en juist als je gegevens uit bio-elektronica combineert met grote hoeveelheden andere data, ontstaan mogelijk interessante inzichten over de gezondheid van individuen.”

Die inzichten kunnen nuttig zijn voor de genezing van bepaalde aandoeningen, maar er zitten ook privacyrisico’s aan. Ook de Haagse technologiedenktank Rathenau Instituut spreekt al jaren zijn zorgen uit over privacygevolgen van geïmplanteerde elektronica.

Wat kunnen techbedrijven nou precies te weten komen ín een lichaam? „Het gaat met de huidige bio-elektronica vooral om de communicatie tussen cellen of bijvoorbeeld informatie over de zuurtegraad in je darmen”, zegt Serdijn. Volgens hem is de informatie die uit bio-elektronica en -sensoren komt op zichzelf commercieel nog niet direct heel bruikbaar. Maar gecombineerd met andere informatie, over bijvoorbeeld lichaamsbeweging, zijn daar mogelijk wel interessante patronen in te ontdekken. „Dan zou je er mogelijk zaken als epileptische aanvallen mee kunnen voorspellen, en misschien wel andere ernstige aandoeningen”, zegt Serdijn. En dat is informatie die je niet altijd wilt delen met je werkgever of verzekeraar.

GSK wil geen details geven over hoe het informatie uit bio-elektronica precies gaat delen met Googles zusterbedrijf Verily. Wel zegt woordvoerder Carien Mulder: „Wij staan honderd procent voor het waarborgen van vertrouwelijke patiënteninformatie, en dat is ook een prioriteit in de nieuwe samenwerking met Verily.” Ze geeft echter geen antwoord op wat er precies is afgesproken over de data die er worden verzameld in het lichaam.

Een woordvoerder van Alphabet kon niet op tijd reageren op vragen van NRC. Wel zei Brian Otis, de technologiedirecteur van Alphabet-dochter Verily, vorige week tegen het Amerikaanse Forbes Magazine dat het zijn bedrijf bij deze samenwerking vooral te doen is om de data. „De uitdaging met bio-elektronica zit ’m uiteindelijk in data. Het uitlezen en interpreteren van de signalen. Natuurlijk heeft Google expertise in het omgaan met grote hoeveelheden data, beslissingen nemen op basis van data en feedback geven aan de gebruiker.”

Google beschikt over enorm veel gegevens over menselijk gedrag. Via de Android-smartphones van het bedrijf verzamelt het ook veel informatie over bijvoorbeeld lichaamsbeweging. Het blijkt bij dit soort big data-toepassingen vaak erg lastig om verbanden tussen gegevens te ontdekken die ook echt bruikbaar zijn. Maar juist een bedrijf als Google is daar heel goed in.

Informatie uit bio-elektronica zou ook bepaald niet de eerste medische data zijn die Google de laatste tijd verzamelt. Via de zoekmachine ziet het bedrijf al jaren welke medische vragen bezoekers stellen. Via zusterbedrijf 23andMe, dat genetische tests ontwikkelt, heeft Google de laatste jaren daarnaast van vele duizenden mensen DNA-informatie verzameld. Onlangs sloot het een samenwerking met de Britse National Health Service voor het analyseren van grote hoeveelheden patiëntengegevens van Britse burgers.

Dat zijn zeer uiteenlopende projecten, met ook zeer uiteenlopende privacyvoorwaarden. Het is niet automatisch zo dat Google met die informatie allerlei gedetailleerde profielen opbouwt die het zomaar kan herleiden tot individuen. Laat staan dat het die zomaar kan doorverkopen, als het bedrijf dat al zou willen. Er gelden voor medische gegevens strengere privacywetten dan voor andere soorten informatie.

Maar de Amerikaanse technologiereus verdient wel veruit het meeste van zijn geld met op maat gemaakte advertenties. En als je advertenties op basis van je zoekgeschiedenis krijgt voorgeschoteld, waarom dan niet op basis van data uit een biosensor die uitwijst dat je binnenkort misschien behoefte krijgt aan een bepaald medicijn?

„Zover is het voorlopig waarschijnlijk nog niet,” zegt hoogleraar Serdijn. „Maar het is wel zaak om dit heel goed in de gaten te houden.”

HOE BIG PHARMA EN BIG TECH SAMENWERKEN

Apple sloot in juli een samenwerking met Glaxo Smith Kline (GSK) om behandelingen te ontwikkelen voor reuma. GSK gaat daarvoor Apples onderzoekssoftware ResearchKit gebruiken. Dat platform brengt allerlei gegevens samen die Apple over zijn gebruikers verzamelt, bijvoorbeeld over lichaamsbeweging. Die is te meten via de bewegingssensoren in iPhones. Dergelijke sensoren kunnen volgens de twee bedrijven ook worden gebruikt om nauwkeuriger in kaart te brengen hoe reuma het leven van patiënten beïnvloedt.

Googles zusterbedrijf Verily werkt samen met Novartis om een slimme contactlens te ontwikkelen die bloedsuiker meet in het oogvocht van diabetespatiënten. Zo’n lens zou in de plaats kunnen komen van andere manieren om bloedsuikers te meten, bijvoorbeeld van de bloedprikken die nu gebruikelijk zijn.

Telefoonmaker Samsung investeert ook fors in biotech en farmacie, onder meer via Samsung Bioepis en Samsung Biologics.

Bio-elektronica: de medicijnen van de toekomst

Living better with electroceuticals

Beter worden met ‘electroceutica’by Harry Baggen, in Elektor Magazine, 30 maart 2016, 15:03

Electroceuticals can help combat a wide variety of medical conditions, such as tinnitus (ringing ears) and epilepsy. Electroceuticals comprise the smart, localized and targeted application of therapeutic electrical stimuli to the body. The technological challenge is to make electroceutical devices smarter and smaller.

According to Wouter Serdijn, Professor of Bio-Electronics at TU Delft in the Netherlands, electroceuticals could develop into a new and significant form of medicine, complementing existing pharmaceuticals. The targeted application of electrical stimuli can alleviate many medical conditions and is not limited to brain therapy. The main advantage of electroceuticals over pharmaceuticals is that the effect is localized. Drug act on the entire body, which can easily lead to adverse effects.

Existing electroceutical devices are still fairly bulky, with relatively large batteries and wires. There is also a high degree of trial and error in treatment methods. The aim is to develop a flexible brain implant on a polymer substrate that can serve as a general platform for various electroceutical devices.

Besser heilen mit „Electroceutica“

Electroceutica können helfen, verschiedene Erkrankungen wie Tinitus (Ohrpfeifen) oder Epilepsie zu lindern. Electroceutica bedeuten die intelligente, lokale und gezielte Verabreichung heilender elektrischer Impulse in den Körper. Die technische Herausforderung ist, die dafür erforderlichen Geräte kleiner und intelligenter zu machen.

Nach Wouter Serdijn, Professor für Bio-Elektronik an der niederländischen Technischen Universität Delft, können Electroceutica zu einem neuen bedeutenden medizinischen Mittel statt oder als Zusatz zur bestehenden Pharmazeutik werden. Die gezielte Anwendung elektrischer Impulse kann bei vielen Erkrankungen helfen, nicht nur bei solchen des Gehirns. Der große Vorteil der elektrischen Methode gegenüber der pharmazeutischen ist, dass sie lokal begrenzt sind: Pillen wirken auf den ganzen Körper ein und haben deswegen oft gravierende Nebenwirkungen.

Zurzeit ist die Verabreichung elektrischer Impulse an den Körper noch recht grobschlächtig mit relativ großen Batterien und Kabeln. Zudem funktioniert diese Methode noch in einem hohen Maß nach dem „Trial-and-error“-Prinzip. Das Ziel ist es, ein flexibles Hirnimplantat auf einem Polymersubstrat zu entwickeln, das zur allgemeinen Grundlage diverser Implantattypen werden kann.

Beter worden met ‘electroceutica’

Electroceutica kunnen helpen om allerlei aandoeningen zoals tinnitus (oorsuizen) en epilepsie te bestrijden. Electroceutica betreft het slim, lokaal en gericht toedienen van helende elektrische pulsen aan het lichaam. De technische uitdaging is het slimmer en kleiner maken van de benodigde apparatuur.

Volgens prof. Wouter Serdijn, hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft, kunnen ‘electroceutica’ uitgroeien tot een nieuw en belangrijk type medicijn, naast en als aanvulling op de al bestaande farmaceutica. Het gericht geven van elektrische pulsen kan bij veel aandoeningen helpen, en is niet alleen toepasbaar in de hersenen. Het grote voordeel van de elektrische methode boven farmaceutica is dat het effect lokaal is. Pillen werken in op het hele lichaam en veroorzaken derhalve snel bijwerkingen.

Op dit moment is het toedienen van elektrische pulsen aan het lichaam nog vrij grofstoffelijk, met bijvoorbeeld relatief grote batterijen en draden. Ook heeft de methode nog een vrij hoge graad van trial and error. Het streven is om een flexibel hersenimplantaat te ontwikkelen op een polymeer-substraat dat dan kan dienen als algemeen platform voor diverse typen implantaten.

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

On May 6, 2015, Collegerama of TU Delft made video recordings of the lecture I gave on Electroceuticals.

Electroceuticals are the electronic counterparts of pharmaceuticals and are miniature electronic devices that interact with the body in an electrical fashion.

In this talk I discuss: neurostimulation and the need to make neurostimulators smaller, more power efficient and more intelligent; optogenetic neuromodulation and the need to make this new neuromodulation modality operate in a closed-loop fashion; neurosensing devices to make neurostimulators intelligent and thereby adjust themselves to the therapeutical needs of the patient; autonomous wireless sensor nodes that can measure temperature or the electrocardiogram without the need for a battery; an outlook into the future of electroceuticals with the promise to treat a larger variety of neurological and brain disorders better.

Click here to start watching the video and slides:

https://collegerama.tudelft.nl/Mediasite/Play/cc7888beb88349c1a60c1414476b577a1d?catalog=528e5b24-a2fc-4def-870e-65bd84b28a8c

Electroceuticals: the Shocking Future of Brain Zapping

Electroceuticals are the electronic counterparts of pharmaceuticals

“It’s all in your head—those icky feelings, all that fog—and chemicals just aren’t that great at cutting through. That’s why scientists are experimenting with changing the brain game by tweaking its circuitry, rather than the chemical processes.

It might be a bit unnerving to us seasoned pill-poppers, but some believe that electrical currents could be the new wave in everything cerebral, from treating depression and addiction to enhancements that would enable those seeking that mental edge to learn new skills faster or remember more.”

Read more at: http://motherboard.vice.com/read/electroceuticals-the-shocking-future-of-brain-zapping.

We cured several mice from epilepsy!

The cerebellum might be able to stop epileptic seizures

A single short-lasting (30-300 ms) optogenetic stimulation of the cerebellum (the small brains) abruptly stopped generalized spike-wave discharges (GSWDs) as occur, e.g., in absence epileptic seizures, even when applied unilaterally. Using a closed-loop system absence seizures were detected and stopped within 500 ms.

If you want to read more about the neuroscientific aspects, click here. If you want to read more about the epilepsy detector we developed, click here.

We are now working on our next mission: to reliably detect other forms of epileptic seizures and to study cerebellar nuclei further and their potential therapeutic benefit for controlling other types of generalized epilepsies.

Exciting times ahead, if you ask me, and not only for mice.