Thalamus: een realtime systeem voor gesynchroniseerde, gesloten-lus multimodale gedrags- en elektrofysiologische dataverzameling

Waarom het belangrijk is hersenen en lichaam samen te volgen

Moderne hersenchirurgie en brain–computer interfaces zijn afhankelijk van het gelijktijdig en zeer precies zien van wat de hersenen en het lichaam doen. Toch houden in een drukke operatiekamer verschillende apparaten afzonderlijk toezicht op de hersenen, spieren, het hart en beweging, vaak zonder gedeelde klok. Dit artikel introduceert Thalamus, een open software­systeem dat al deze signalen in realtime samenbrengt, waardoor artsen en onderzoekers beter kunnen begrijpen hoe hersenactiviteit verband houdt met gedrag en hoe ze veilig nieuwe therapieën kunnen testen.

Één hub voor veel signalen

Thalamus is ontworpen als een centraal knooppunt dat naar veel soorten sensoren kan luisteren die al in ziekenhuizen te vinden zijn, zoals breinelektroden, motion-capture handschoenen, camera’s en hartmonitors. In plaats van elk apparaat als een eiland te behandelen, voorziet Thalamus iedere datastroom van een tijdstempel zodra deze binnenkomt, zodat hersengolven, handbewegingen en andere metingen tot op fracties van een milliseconde uitgelijnd kunnen worden. Dit gesynchroniseerde overzicht is vooral waardevol tijdens korte en delicate neurochirurgische ingrepen, waar weinig ruimte of tijd is voor extra hardware.

Hoe het systeem is opgebouwd

Om de zware gegevensstroom bij te houden, gebruikt Thalamus een tweelaags ontwerp. Een gebruiksvriendelijke Python-laag draait het bedieningspaneel en het experimentenscherm die de onderzoeker en patiënt zien. Een snellere C++-laag verzorgt het zware werk van het uitlezen van apparaten, het doorsturen van data door een keten van verwerkingsstappen en het opslaan ervan. Deze stappen zijn georganiseerd in modulaire “nodes”, die elk data kunnen verwerven, transformeren of opslaan. Onderzoekers kunnen nodes mixen en matchen om nieuwe sensoren aan te sluiten, eenvoudige maten zoals signaalvermogen te berekenen of andere apparaten aan te sturen, terwijl het systeem stabiel en responsief blijft.

Realtime feedback en veiligheid

Een belangrijk doel van Thalamus is de lus tussen waarnemen en handelen te sluiten. De software kan binnenkomende signalen volgen, berekeningen in realtime uitvoeren en vervolgens tijdige feedback geven, zoals het aansturen van een virtuele hand of het triggeren van hersenstimulatie-apparatuur. De auteurs maten hoe lang deze lussen duren met een reeks bench-tests. Ze laten zien dat Thalamus een verandering kan detecteren en binnen ruim onder een milliseconde binnen de software kan reageren, en in de orde van één milliseconde wanneer gebruikelijke data-acquisitiekaarten worden meegerekend. Zorgvuldig gebruik van moderne communicatietools helpt het systeem fouten te detecteren, dataverlies te vermijden en vrijwel alle informatie te herstellen zelfs als een computerproces plotseling stopt.

Nauwkeurigheid aantonen in laboratorium en operatiekamer

Het team controleerde dat Thalamus verschillende datastreams uitgelijnd houdt door eenvoudige testcircuits te bouwen en deze te combineren met motion-capture handschoenen en camera’s. Wanneer een knop werd losgelaten, kwamen de spanningsstijging, de geregistreerde vingerbeweging en de lichtverandering van een LED allemaal overeen binnen enkele duizendsten van een seconde. Ze belastten het systeem ook door videoframerates te verhogen en gedetailleerde samenvattingen van hersensignalen te berekenen, en vonden dat de timing strak bleef zelfs bij toenemende werklast. Ten slotte brachten ze Thalamus de operatiekamer in voor patiënten die een diepe hersenstimulatie ondergingen. Daar nam de software fijnmazige handbewegingen op samen met signalen van elektroden in een diepe hersenstructuur die aan beweging gekoppeld is, waarbij de verwachte daling in bepaalde ritmische hersenactiviteit werd waargenomen terwijl patiënten hun handen bewogen.

Wat dit betekent voor patiëntenzorg en onderzoek

In gewone bewoordingen werkt Thalamus als een uiterst precieze dirigent, die veel medische “instrumenten” synchroon houdt zodat complexe interacties tussen hersenen en lichaam duidelijk zichtbaar worden in plaats van achteraf te moeten worden geraden. Omdat het voortbouwt op bestaande ziekenhuisapparatuur, open-source is en zowel op de testbank als in echte operaties is getest, verlaagt Thalamus de drempel om rijke, datagedreven experimenten in klinische omgevingen uit te voeren. In de loop van de tijd zouden zulke gesynchroniseerde beelden van hersensignalen en gedrag meer gepersonaliseerde brain–computer interfaces en therapieën kunnen ondersteunen, waardoor het gemakkelijker wordt behandelingen per individu af te stemmen zonder extra risico of belasting in de operatiekamer toe te voegen.

Bronvermelding: Haggerty, J., Qureshi, Q., Gabriel, E.D. et al. Thalamus: a real-time system for synchronized, closed-loop multimodal behavioral and electrophysiological data capture. Commun Eng 5, 93 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00646-z

Trefwoorden: multimodale neurowetenschap, brain-computer interface, neurochirurgische gegevensvastlegging, realtime neurale registratie, gesloten-lus neuromodulatie