Hersenen onder controle

Publicatiedatum: 01 december 2011

Mensen met hersenaandoeningen zoals Parkinson en tinnitus (oorsuizen) krijgen in de toekomst mogelijk een slimme geminiaturiseerde neurostimulator in hun lijf. Made in Delft.

Druk op de knop

Aan zijn hevige spasmen komt plotsklaps een eind wanneer de Parkinsonpatiënt op een knopje van zijn afstandbediening drukt. De man heeft zojuist zijn neurostimulator geactiveerd, een apparaatje ter grootte van een mobiele telefoon dat in zijn borstkas geïmplanteerd zit. Via een kabeltje zendt het elektrische pulsjes naar elektrodes in bepaalde gebiedjes in de hersenen die abnormale activiteit vertonen. De neurostimulator onderdrukt deze hersengebiedjes.

'Miraculeuze’ genezing

“Het is geweldig om te zien hoe goed de techniek bij deze man werkt”, zegt elektrotechnicus ir. Marijn van Dongen die een filmpje van deze ogenschijnlijk ‘miraculeuze’ genezing op zijn computer toont. “Elektrische stromen in ons lichaam bepalen voor een groot deel hoe wij functioneren”, vervolgt de promovendus van de afdeling micro-elektronica (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica). “Door daar op in te spelen kunnen heel lokaal tal van hersenaandoeningen, zoals Parkinson, tinnitus en epileptische aanvallen aangepakt worden.” “Maar”, voegt Van Dongen na een korte stilte toe, “tegelijkertijd zijn deze technieken toch ook wel echt middeleeuws.”

Elekronische kabel

De elektrische kabels die door de nek naar de hersenen lopen, kunnen breken en voor infecties zorgen. Ook zorgen ze voor littekenweefsel in de nek waardoor het voor de patiënt pijnlijk is om zijn hoofd te bewegen. Maar het zijn niet zozeer deze martelgangen waar Van Dongen op doelt met zijn opmerking. ‘Middeleeuws’ is volgens hem vooral het ontwerp van de stimulator. Het huidige ontwerp staat verdere miniaturisering in de weg. Om het gedoe met kabels te voorkomen moet het ontwerp op de schop. Een compleet nieuw ontwerp van het implantaat is waar Van Dongen met talloze collega’s aan werkt binnen het onderzoeksprogramma Smart Implantable Neurostimulators (Sins). Het doel is om binnen tien jaar een neurostimulator gereed te hebben die onder de hersenpan geplaatst kan worden; een twee millimeter dik apparaatje van twee vierkante centimeter met daarin ook de batterij en antenne. Het onderzoeksprogramma werd in 2008 gestart toen neurochirurg prof. Dirk De Ridder en neurowetenschapper Eddy van der Velden van het Universitair Ziekenhuis Antwerpen in contact kwamen met dr. Wouter Serdijn (afdeling micro-elektronica, EWI). Serdijn is gespecialiseerd in het ontwerpen van elektronische circuits voor medische implantaten.

Slimmere stimulatoren

De twee neurowetenschappers, die vooral werken met patiënten die lijden aan tinnitus, vroegen aan Serdijn of hij voor hen kleinere en slimmere stimulatoren kon maken. “Die stimulatoren zouden ook in staat moeten zijn om zelf te detecteren wanneer ze pulsjes moeten genereren door de signalen in de hersenen te analyseren, net zoals een pacemaker doet bij het hart”, vertelt Serdijn, die vanuit de TU programmaleider is van Sins.

Ook moeten de patronen van de pulsjes instelbaar zijn en natuurlijker van vorm; niet hoekig zoals nu. De huidige pulsjesstructuren lijken op een reeks kantelen van een kasteel. Doordat dat voor de hersenen zo onnatuurlijk is slaagt de neurostimulator er vaak niet in om effectief hersengebiedjes te onderdrukken of terug in het gareel te krijgen. Hierdoor werkt de techniek bij de helft van de tinnitus-patiënten niet.

Sardientjes

Op zijn bureau heeft Van Dongen een neurostimulator liggen; hetzelfde type apparaat als de man van het filmpje in zijn lijf heeft. Het bovenste deel van het frame van titanium heeft hij opengedraaid, als een blik sardientjes. “Moet je eens kijken”, zucht hij. “Een grote batterij, veel losse componenten op een printplaatje en grote condensatoren.” Van Dongen wil alle losse componenten integreren in een chip en de ruimte vretende condensatoren verwijderen.

De condensatoren zorgen ervoor dat de positieve en negatieve stromen aan elkaar gelijk blijven. En dat is niet onbelangrijk: alle elektronen die het weefsel in gestuurd worden moeten er even later ook weer aan ontrokken worden, anders ontstaan er allerlei chemische reacties (elektrolysereacties) bij de elektrodes in de hersenen. Het ontbreken van de condensatoren wordt in het nieuwe ontwerp van de Delftenaren ondervangen door elektronische schakelingen die de hoeveelheid lading bijhouden die de hersenen in- en uitgaat.

Het prototype van het apparaat dat in de toekomst in de hersenpan geplaatst moet worden, hebben de onderzoekers al gereed. Het is nog wat groter dan de huidige stimulatoren, maar zal de komende jaren verder verkleind worden. De Delftenaren hebben het prototype onlangs getest. “Het was een eerste test om te zien of onze neurostimulator überhaupt een geschikte neurale respons teweeg zou brengen”, zegt Van Dongen. Dat bleek het geval.

iPhone app

Neurowetenschappers De Ridder en Van der Velden waren zelf de proefpersonen. Voor de gelegenheid hadden ze ieder tijdelijk elektroden in hun hersenen laten implanteren. Via een app op de iPhone konden ze de stimulator aansturen. Door middel van elektro-encefalografie maten de onderzoekers de respons. De grote uitdaging is om de neurostimulator te laten luisteren naar de kakofonie in de hersenen en hem heel gericht te laten reageren met sterkere of minder sterke pulsjes al naar gelang de noodzaak, net zoals een pacemaker doet voor het hart. ‘Closed loop’ noemen de onderzoekers dat. Bij een pacemaker is het nog relatief simpel. Dat apparaat houdt slechts één golf in de gaten; die van de hartslag. De elektrodes in de hersenen hebben daarentegen met duizenden neuronen te maken. Medici hopen dat het door middel van closed loop mogelijk wordt om de hersenen (en daardoor de afwijkingen ervan) beter te begrijpen, waardoor betere therapieën ontwikkeld kunnen worden.

“We werken daarom nu aan sensorelektronica die inzoomt op bepaalde frequentiegebieden waar zich de problemen voordoen”, vertelt ir. Senad Hiseni, die ook als promovendus in de groep van Serdijn werkt. “Dat heeft meerdere voordelen. Neem tinnitus, dat wordt veroorzaakt door afwijkende activiteit in de auditieve cortex, het gedeelte van de grote hersenen waar geluid wordt waargenomen. Tinnitus ontstaat niet altijd op dezelfde plaats en de bron kan zelfs van plaats veranderen. Met een closed loop-systeem kan de stimulator die verandering in de gaten houden en alleen daar waar nodig stimuleren. Tinnitus kan daardoor efficiënter bestreden worden, en het bespaart ook een hoop energie waardoor de batterij langer meegaat.” Het nieuwe ontwerp is nog lang niet closed loop en ook nog niet bepaald klein. Maar flexibel is het al wel. “Dankzij het nieuwe ontwerp zijn we in staat om de pulsjes iedere vorm te geven die we maar willen”, zegt Van Dongen. “De schakelingen zorgen voor het balanceren van de lading. We zijn hierdoor niet meer gebonden aan hoekige pulsjes. We zouden bij wijze van spreken muziek van de Rolling Stones op de hersenen kunnen afvuren.” Serdijn, lachend: “AC/DC lijkt me meer gepast.”

nog geen reacties

Plaats reactie