Bron: NWO.nl 15 februari 2023 Tekst: Sonja Knols
Hoe verplaatsen elektrische signalen zich door ons zenuwstelsel? En hoe kunnen we daarop ingrijpen om iets te doen aan aandoeningen als chronische pijn, gehoorbeperkingen of spasticiteit? In het Perspectief-programma NeuroCIMT onderzochten ingenieurs, clinici en bedrijven de controlefunctie van het centrale zenuwstelsel om patiënten een betere kwaliteit van leven te kunnen bieden.
De onderzoekers richtten zich op vier verschillende neurologische en zintuiglijke aandoeningen, namelijk gehoorproblemen, pijnregulatie, bloeddrukregulering en aansturing van beweging. Dat deden ze in acht afzonderlijke, onderling verbonden projecten. ‘De rode draad binnen NeuroCIMTwas de organisatie van het menselijk zenuwstelsel,’ vertelt programmaleider Frans van der Helm, hoogleraar Biomechatronics and Bio-robotics aan de TU Delft. ‘Om tunnelvisie te voorkomen hebben we verschillende systemen bestudeerd en daarin gezocht naar overeenkomsten en verschillen. Het idee was dat als je snapt hoe signalen van de gehoorzenuw worden verwerkt door de hersenen, je wellicht ook beter begrijpt wat er misgaat bij patiënten met chronische pijn.’ Met verschillende technieken hebben de onderzoekers in kaart gebracht hoe het brein signalen verwerkt die van verschillende zenuwen komen.
Vruchtbare kruisbestuiving
Ondanks de eigen focus van de acht verschillende projecten waren er duidelijke kruisbestuivingen, vertelt Van der Helm. ‘Zo was een aantal onderzoekers verbonden aan meerdere projecten, en hebben we technieken uit het ene project ingezet in het andere.’ Een van die technieken is ontwikkeld binnen het project NociCept, gericht op het pijnregulatiesysteem.
Soms krijgen patiënten te horen dat hun pijn ‘tussen de oren’ zit. Wij zien in metingen dat dat letterlijk zo is
Tom Berfelo, technisch geneeskundig onderzoeker St. Antoniusziekenhuis
Tom Berfelo, als technisch geneeskundig onderzoeker verbonden aan het St. Antoniusziekenhuis in Nieuwegein, legt uit: ‘Binnen NociCept ontwikkelen we een diagnostiek om de functie van het pijnsysteem objectief in kaart te brengen. Pijn kun je niet goed meten. We zijn nu nog afhankelijk van subjectieve informatie: de patiënt geeft zelf cijfers aan de pijn van dat moment. Wij willen fysieke en neurofysiologische biomarkers hebben die de pijn objectief beschrijven. Hiervoor hebben we een methode ontwikkeld waarmee we kunnen zien hoe pijnsignalen worden verwerkt. Door kleine elektrische prikkels direct aan te bieden op de pijnvezels in de huid, activeren we het pijnsysteem. Vervolgens kijken we hoe dit signaal aankomt in het brein door onder andere in EEG’s (onderzoeken die de elektrische activiteit van de hersenen weergeven, red.) te zoeken naar de specifieke vingerafdruk van het signaal dat we hebben aangeboden.’
Chronische pijn meetbaar
Hoewel het onderzoek nog in de exploratieve fase is, waarin de wetenschappers eerst willen zien of deze meetmethode überhaupt geschikt is voor patiënten in een ziekenhuisomgeving, zijn de eerste resultaten positief, zegt Berfelo. ‘In vergelijkende studies zien we duidelijk verschillen tussen patiënten met chronische pijn en gezonde proefpersonen. Soms krijgen patiënten te horen dat hun pijn “tussen de oren” zit. Wij zien in metingen dat dat letterlijk zo is: er gebeurt iets meetbaars in hun hersenen dat verschilt van wat er gebeurt bij gezonde controlepersonen. De volgende opgave is om de oorzaak van deze verschillen te duiden, bijvoorbeeld door wat we zien te relateren aan onderliggende pijnkarakteristieken. Zo willen we een idee krijgen waardoor deze veranderingen in het pijnsysteem worden veroorzaakt en onderzoeken hoe we ze kunnen behandelen.’
Spraak verstaan in rumoerige omgeving
Deze methode om elektrische pulsen te maken met heel specifieke vingerafdrukken, die vervolgens terug te zoeken zijn in het EEG van het brein, is veel breder toepasbaar, vertelt Van der Helm. Zo is diezelfde techniek ook gebruikt in het project Otocontrol, waarbinnen de onderzoekers op zoek waren naar nieuwe oplossingen voor slechthorenden die gebruikmaken van een zogeheten cochleair implantaat. Dit is een apparaatje dat geluiden omzet in elektrische pulsen, die via geïmplanteerde elektrodes het intacte gedeelte van beschadigde gehoorzenuwen stimuleren.
‘Hoewel deze implantaten in verder stille omgevingen 100 procent spraakherkenning kunnen realiseren, blijft het verstaan van spraak in rumoerige omgevingen een uitdaging’, legt Josef Chalupper, principal research engineer bij projectpartner Advanced Bionics, uit. ‘Het hoofddoel van het project was om te komen tot een objectief, geautomatiseerd systeem dat geschikte stimulatiepatronen genereert, de resulterende signalen in de hersenen van de patiënt meet, en vervolgens de optimale instellingen vindt voor de hoortoestellen van die persoon.’
Hoortest
En hoewel dat einddoel nog niet is bereikt zijn er belangrijke stappen gezet in de goede richting, meent Chalupper. ‘We hebben verschillende nieuwe methoden ontwikkeld die helpen om individuele patiënten te karakteriseren. Op de korte termijn hebben we nu een hoortest die mensen thuis op hun mobiele telefoon kunnen doen om een bezoek aan de kliniek voor te bereiden of zelfs te vervangen. Voor de middellange termijn hebben we een methode waarmee we onderscheid kunnen maken tussen de signalen die op elk van de zestien elektroden van het implantaat worden geplaatst. Hiermee kunnen we de prikkels optimaliseren die we op de gehoorzenuwen zetten. En voor de lange termijn hebben we de eerste stappen gezet naar het lezen van de hersenen en het vinden van auditieve vingerafdrukken die cruciaal zijn voor luistertaken.’
Nieuwe meettechnieken essentieel
Op dit moment is het menselijk brein nog grotendeels terra incognita, doceert Van der Helm. ‘We kennen er misschien maar 1 procent van. Er zijn veel plekken in de hersenen waar je niet kunt meten. De ontwikkeling van nieuwe meettechnieken is dus essentieel.’
Metingen van buitenaf zoals een EEG zijn ingewikkeld, benadrukt hij. ‘Het signaal dat je meet is het resultaat van allerlei verschillende processen. Het is de kunst om te ontrafelen welk deel van dat signaal wordt veroorzaakt door het proces dat je wilt bestuderen. Binnen NeuroCIMT hebben we weer een aantal nieuwe stappen gezet waardoor we nu beter kunnen terugrekenen waardoor een bepaald signaal is veroorzaakt. Ik vergelijk het graag met seismogrammen, waaruit je de locatie van de bron van een aardbeving kunt herleiden.’
Weten wat niet werkt
Hoewel de meeste van de acht projecten belangrijke voortgang hebben opgeleverd richting prototypes van nieuwe medische technologie, is er ook een negatief resultaat dat de projectleider als belangrijke uitkomst wil benoemen. ‘Het iDTCS project onderzocht de hypothese dat het heel gericht sturen van een gelijkstroom door bepaalde hersengebieden ervoor zou kunnen zorgen dat je beter nieuwe technieken kunt aanleren. Daar hebben we echter geen enkel bewijs voor gevonden, dat werkt dus gewoon niet.’
Belangrijke vooruitgang
Al met al is Van der Helm zeer tevreden met de opbrengsten van het programma. ‘We hebben op verschillende terreinen belangrijke vooruitgang geboekt. Naast nieuwe inzichten in hoe het brein signalen verwerkt is bijvoorbeeld ook een orthese ontwikkeld voor mensen met een spastische kuitspier. Door daarvoor een veer te gebruiken met een negatieve stijfheid krijgt de patiënt meer controle over het spastische gedrag. Dit idee zou ook moeten werken voor andere spieren. Daar is dan ook een vervolgproject op gestart.’
Behoefte aan grootschalige patiëntenstudies
Alle bij het NeuroCIMT-programma betrokken partners zijn onderdeel van een heel actief publiek-privaat consortium, het Innovative Medical Devices Initiative Centers of Research Excellence Caretech, waarin de voormalige IMDI Centers Neurocontrol en SPRINT zijn samengegaan. Daarnaast zijn meerdere partners onderdeel van Neurotech-NL, een samenwerkingsverband dat nieuwe manieren van neurostimulatie ontwikkelt.
Daarbij heeft Van der Helm nog wel een zorg. Om dergelijke technologie in de kliniek te krijgen zijn grootschalige patiëntenstudies nodig, waar lastig onderzoekfinanciering voor te vinden is. ‘En de bedrijven in deze branche zijn vaak MKB’s. Zij hebben de tijd en de middelen hier niet voor. Deze situatie houdt veel ontwikkelingen tegen, en dat is eeuwig zonde in deze tijd van vergrijzing en toenemende kosten van de gezondheidszorg.’