Neurowetenschap aan het stuur

Geschreven door Dr. Nikolas Williams, EMOTIV-onderzoekswetenschapper.

Enkele maanden geleden verhuisde ik terug naar de VS nadat ik acht jaar in het buitenland had gewoond. Opnieuw beginnen betekende onder andere dat ik alle dingen moest kopen die je nodig hebt in het leven. Naast een bank, bed en eettafel had ik natuurlijk ook een auto nodig. Omdat ik mezelf als financieel onderlegd beschouw, zocht ik uitsluitend naar oudere, kosteneffectieve modellen, maar ik raakte al snel gedemoraliseerd door de opgeblazen prijzen en schaarse voorraad. De tweedehandsautomarkt van 2021 dwong me feitelijk om nieuw te kopen, wat ik uiteindelijk ook deed. Mijn teleurstelling over het schenden van basisprincipes van persoonlijke financiën maakte al snel plaats voor ongebreideld enthousiasme over het comfort en de functies van mijn gloednieuwe Toyota SUV.

Ik was vooral onder de indruk van de autonome rijfuncties waarover ik tot dan toe alleen had gelezen. Rijstrookassistentie en vooruitkijkende radar maakten lange ritten een fluitje van een cent. Ik hoefde alleen mijn ogen op de weg te houden en een hand op het stuur te laten rusten, en mijn auto reed in feite vanzelf. Voeg daar botsingsvermijding, dodehoekbewaking en achteruitrijcamera’s met een waarschuwingssysteem aan toe zodat ik niet achteruit tegen iemand aanreed die achter mij langs liep, en deze nieuwe auto was objectief gezien vele malen veiliger dan de oudere modellen waarin ik het grootste deel van het afgelopen decennium had gereden.

Auto’s rijden zichzelf natuurlijk nog niet. Hoewel ze slimme autonome en veiligheidsfuncties hebben, vereisen auto’s nog steeds toezicht van de bestuurder en, wanneer nodig, ingrijpen. We zijn nog ver verwijderd van het verwijderen van de menselijke component uit het rijden, en juist deze component is overwegend verantwoordelijk voor auto-ongelukken en dodelijke slachtoffers. Mensen maken fouten achter het stuur. Of ze nu besluiten dat autorijden na het drinken een goed idee is, of dat te hard rijden leuk is, of dat ze nog net een paar kilometer moeten doorrijden voordat ze stoppen om uit te rusten: mensen veroorzaken veel vermijdbare verkeersincidenten.

[block id="cta-shortcode-browse-eeg-headsets-v2"]

Volgens de National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) vielen er in 2019 36.096 dodelijke slachtoffers in het wegverkeer met motorvoertuigen. Voor 2020 wordt het aantal doden geschat op meer dan 38.000 [1]. Een groot percentage hiervan is het gevolg van risicovol rijgedrag en dus te voorkomen. De NHTSA heeft zes soorten risicovol rijgedrag geïdentificeerd: te hard rijden, rijden onder invloed van alcohol en drugs, het niet gebruiken (of verkeerd gebruiken) van veiligheidsgordels, afgeleid rijden en slaperig rijden. Aangezien twee derde van alle verkeersdoden kan worden toegeschreven aan te hard rijden en rijden onder invloed, zijn veel interventiecampagnes terecht gericht op het aanpakken van deze risico’s. Afgeleid en slaperig rijden leiden echter tot een niet te verwaarlozen aantal doden, met 3.142 afleidingsgerelateerde doden en 697 slaperigheidsgerelateerde doden in 2019 [2].

Neurowetenschap gebruiken om oplettendheid in het lab te meten

Neurowetenschap op de bestuurdersstoel - Neurowetenschap gebruiken om oplettendheid in het lab te meten.

Neurowetenschappers gebruiken verschillende methoden om aandacht in het laboratorium te meten. Een van deze methoden benut het feit dat onze hersenen kleine hoeveelheden elektriciteit afgeven wanneer neuronen vuren. Met behulp van elektro-encefalogram (EEG) kunnen we de schommelingen in deze elektriciteit meten om te begrijpen wanneer en waar de hersenen actief zijn. De snelheid, of frequentie, waarmee deze schommelingen optreden staat bekend als oscillaties, of vaker: hersengolven. De frequentie van hersengolven kan Insight geven in mentale toestanden of processen.

Bijvoorbeeld, hersengolven die 14 tot 30 keer per seconde oscilleren (of 14 - 30 Hz) staan bekend als bètagolven en worden geassocieerd met hoge niveaus van mentale betrokkenheid. Oscillaties in het bereik van 8 - 13 Hz staan bekend als alfagolven en zijn over het algemeen aanwezig tijdens perioden van ontspanning of passieve aandacht. Zo zie je alfagolven vaak wanneer iemand mediteert. Thetagolven zijn oscillaties tussen 4 en 7 Hz en worden gezien wanneer iemand diep ontspannen of slaperig is. De langzaamste golven zijn deltagolven (1 - 4 Hz) en worden waargenomen wanneer iemand diep slaapt.

Zie gerelateerde post De inleidende gids voor EEG

In het lab kunnen wetenschappers de timing, grootte en frequentie van hersengolven meten om te bepalen hoe betrokken of niet-betrokken iemands geest is tijdens taken. Wanneer iemand bijvoorbeeld iets ziet of hoort waarop hij of zij aan het letten was, vertoont diens EEG een zeer specifieke respons die P300 wordt genoemd: een golf met grote amplitude die ongeveer 300 ms na het verschijnen van het object optreedt [3]. Evenzo kan een afname van alfa-oscillaties aangeven dat iemand ergens nauwlettend op let [4]. Slaperigheid produceert ook detecteerbare EEG-signaturen via veranderingen in delta-, theta- en alfa-oscillaties [5].

Hoe kunnen we oplettendheid in een auto meten? 

In een voertuig kunnen we oplettendheid en slaperigheid meten met gedragsmatige methoden. Camera’s kunnen bijvoorbeeld de ogen van bestuurders volgen om te controleren of ze naar de weg kijken. Evenzo kunnen camera’s detecteren wanneer het hoofd van bestuurders begint te knikken, wat aangeeft dat ze slaperig zijn. Maar alleen omdat iemand naar de weg kijkt of het hoofd niet hangt, betekent dat niet dat diegene oplet of niet vermoeid is. EEG kan de detectie van deze gevaarlijke toestanden aanvullen. Het kan ze zelfs voorspellen voordat ze gedragsmatig detecteerbaar zijn. 

Neurowetenschap op de bestuurdersstoel - EEG kan de detectie van deze gevaarlijke toestanden aanvullen. Het kan ze zelfs voorspellen voordat ze gedragsmatig detecteerbaar zijn.

In 2020 voerden onderzoekers een systematische review uit van studies die commercieel verkrijgbare EEG-headsets gebruikten om slaperigheid in realtime te detecteren [6]. Ze rapporteerden dat de meest gebruikte headset in dit soort studies die van EMOTIV was, gevolgd door Neurosky, Interaxon en OpenBCI. Voor slaperigheidsdetectie ontdekten ze dat zelfs basale EEG-kenmerken, zoals frequentie-oscillaties, konden worden gebruikt om slaperigheid te detecteren. Ze merken echter op dat in veel gevallen “algorithmic optimization remains necessary”, wat betekent dat machine-learningalgoritmen tot nauwkeurigere detecties leidden.

Commerciële EEG en machine-learningalgoritmen inzetten om ons veiliger te houden

EMOTIV is al meer dan tien jaar marktleider in commerciële EEG. In die tijd hebben ze EEG-systemen in verschillende vormen ontwikkeld, van traditionele onderzoekscaps met 32 kanalen tot in-ear koptelefoons met 2 kanalen. Systemen met compacte vormfactoren, zoals de MN8-koptelefoon of Insight, vormen de eerste stappen richting alledaagse, draagbare neurotechnologie. Door dit soort hardware in voertuigbesturingen te integreren, kunnen we mogelijk ongevallen voorkomen voordat de bijdragende mentale toestanden überhaupt optreden. 

Neurowetenschap op de bestuurdersstoel - Commerciële EEG en machine-learningalgoritmen inzetten om ons veiliger te houden.

Het integreren van EEG-hardware in voertuigen is slechts een deel van de oplossing. Om optimaal gebruik te maken van verkregen hersendata moeten we die verwerken tot bruikbare maatstaven. Geavanceerde machine-learningalgoritmen doen dit door EEG-data te decoderen naar kenmerken die specifieke mentale toestanden kunnen indexeren. Tot op heden heeft EMOTIV zeven van zulke detecties ontwikkeld: frustratie, interesse, ontspanning, betrokkenheid, opwinding, aandacht en stress. EMOTIV-ingenieurs hebben nauw samengewerkt met neurowetenschappers om deze detecties te ontwikkelen via rigoureuze experimentele studies met protocollen waarvan bekend is dat ze deze toestanden opwekken. Binnen het autodomein verfijnt Emotiv momenteel een detectie van bestuurdersafleiding die is ontwikkeld in een rijsimulator. Dit volgt op veelbelovende resultaten uit een  samenwerking met de Royal Automobile Club of Western Australia, die resulteerde in een door aandacht aangedreven auto die vertraagde wanneer de aandacht verslapte [7]. Je kunt enkele video’s van de samenwerking en de resultaten op YouTube vinden.  

Neurowetenschap en de toekomst van autorijden

Neurowetenschap op de bestuurdersstoel - Neurowetenschap en de toekomst van autorijden.

Van vroege interventies zoals veiligheidsgordels en ribbelstroken tot moderne zoals automatisch noodremmen en stuurassistentie: onze auto’s zijn veel veiliger geworden. Toch laat het aantal mensen dat elk jaar door ongevallen omkomt zien dat we nog een lange weg te gaan hebben voordat voertuigen als “veilig” kunnen worden beschouwd. Naarmate technologie voortschrijdt, zullen onze auto’s ongetwijfeld veiliger blijven worden, maar zolang mensen de belangrijkste bestuurders van voertuigen zijn, zullen er door mensen veroorzaakte crashes blijven plaatsvinden. EEG-technologie vormt een bijzonder veelbelovende route om de menselijke factor te beperken door subtiele indicatoren te detecteren en in te grijpen voordat omstandigheden die tot ongevallen leiden überhaupt ontstaan.

Referenties

[1] National Center for Statistics and Analysis, “Vroege schatting van dodelijke slachtoffers in het wegverkeer met motorvoertuigen in 2020.” National Highway Traffic Safety Administration, mei 2021. Geraadpleegd: 04 jan. 2022. [Online]. Beschikbaar: https://crashstats.nhtsa.dot.gov/Api/Public/ViewPublication/813115

[2] National Center for Statistics and Analysis., “Overzicht van motorvoertuigcrashes in 2019.” National Highway Traffic Safety Administration, 2020.

[3] S. J. Luck and E. S. Kappenman, The Oxford handbook of event-related potential components. Oxford university press, 2011.

[4] G. Thut, “Alfa-band elektro-encefalografische activiteit boven de occipitale cortex indexeert visuospatiële aandachtsbias en voorspelt visuele doeldetectie,” J. Neurosci., vol. 26, nr. 37, pp. 9494–9502, sep. 2006, doi: 10.1523/JNEUROSCI.0875-06.2006.

[5] C.-H. Chuang, C.-S. Huang, L.-W. Ko, and C.-T. Lin, “Een EEG-gebaseerd perceptueel functie-integratienetwerk voor toepassing op slaperig rijden,” Knowl.-Based Syst., vol. 80, pp. 143–152, mei 2015, doi: 10.1016/j.knosys.2015.01.007.

[6] J. LaRocco, M. D. Le, and D.-G. Paeng, “Een systematische review van beschikbare goedkope EEG-headsets gebruikt voor slaperigheidsdetectie,” Front. Neuroinformatics, vol. 14, p. 42, 2020, doi: 10.3389/fninf.2020.553352.[7] “Australische onderzoekers onthullen ‘aandacht-aangedreven’ auto,” 2013. https://phys.org/news/2013-09-australia-unveil-attention-powered-car.html (geraadpleegd op 12 jan. 2022).