Als medicijnen niet genoeg helpen, kunnen patiënten met epilepsie baat hebben bij een hersenoperatie. Maar ook dat werkt lang niet bij iedereen. Onderzoekers van UMC Utrecht en Universiteit Twente sloegen de handen ineen om met behulp van computermodellen de succeskans van epilepsiechirurgie te verhogen. Dit onderzoek leverde hen een ZonMw Parel op.

Nederland telt 30.000 epilepsiepatiënten die ondanks medicijnen aanvallen houden. Een operatie kan epilepsie genezen wanneer bekend is welk hersengebied de aanvallen veroorzaakt, maar helaas werkt dit lang niet altijd. ‘Wij wilden meer inzicht krijgen in het ontstaan van epilepsie’, vertelt neuroloog dr. Frans Leijten (UMC Utrecht). ‘Want als je begrijpt hoe bij een patiënt aanvallen ontstaan, kun je tijdens de operatie gerichter voorkomen dat er nieuwe aanvallen optreden.’ 

Computermodel

Samen met medisch fysicus dr. Geertjan Huiskamp (UMC Utrecht) en wiskundigen dr. Hil Meijer en prof. Stephan van Gils (Universiteit Twente) werkte de neuroloog tussen 2014 en 2019 aan een ZonMw-onderzoeksproject. Samen begeleidden ze de wiskundige Jurgen Hebbink die in 2019 promoveerde. Ze probeerden met computermodellen van het brein van individuele patiënten te voorspellen welke operatietactiek het meest kansrijk zou zijn. ‘Je kunt in het model uitproberen wat er gebeurt als je bepaalde gebiedjes verwijdert of verbindingen doorsnijdt: stoppen de aanvallen dan?’, legt Huiskamp uit. Veel epilepsie-onderzoekers werken met proefdieren, maar neuroloog Leijten heeft meer vertrouwen in computermodellen. ‘Niet alleen om ethische redenen maar ook omdat de menselijke hersenschors nauwelijks lijkt op die van knaagdieren.’ 

Metingen met elektroden

Een epileptische aanval ontstaat wanneer veel neuronen in de hersenen gelijktijdig en ongeremd gaan vuren. Tussen de neuronen lopen veel verschillende verbindingen die bij iedereen anders zijn. Om het brein van een patiënt te kunnen modelleren in een computer, voeren de onderzoekers metingen uit met een mat van 64 elektroden. Die plaatsen ze rechtstreeks op de hersenen van een patiënt nadat de schedel tijdens een operatie is geopend. Vervolgens dienen ze met elk van de elektroden korte stroompjes toe en meten welke andere elektroden daarop reageren. Leijten: ‘Zo kun je zien hoe alles met elkaar verbonden is en in welke richting.’ Het klinkt eenvoudiger dan het is, want het gedrag dat één elektrode meet, wordt in werkelijkheid bepaald door populaties van miljoenen neuronen. Het doorrekenen van het hersenmodel vraagt daarom erg veel computercapaciteit. Om deze reden begonnen de onderzoekers met een computermodel bestaande uit slechts vier hersengebieden. Maar ook daar bleken al veel inzichten uit te verkrijgen.

Therapeutische mogelijkheden

Door verschillende instellingen binnen het computermodel te variëren, lukt het de onderzoekers inderdaad om een epileptische aanval te simuleren. ‘Alle neuronen in het model gaan dan tegelijk vuren’, aldus Van Gils. Uit de hersenmodellen die de onderzoekers construeerden bleek dat het niet altijd nodig is om een ‘rotte plek’ in de hersenen te verwijderen om aanvallen te voorkomen. Het doorsnijden van een verbinding elders in het netwerk kan ook goed werken. ‘Dat is geweldig nieuws: als de aanvallen ontstaan in een onmisbaar hersengebied, kun je elders een verbinding doorsnijden met hetzelfde effect’, legt Leijten uit. De verworven inzichten leidden tot een ander onderzoeksproject dat zelfs therapeutische mogelijkheden liet zien. ‘Bepaalde elektrische stimulaties kunnen epileptische activiteit onderdrukken’, zegt Meijer. ‘Misschien kan een soort slimme pacemaker in de hersenen een beginnende aanval opmerken en meteen in de kiem smoren.’ 

Een andere taal

Hoe beviel het de onderzoekers om zo multidisciplinair samen te werken? ‘Wiskundigen en medici spreken een andere taal, je moet de moeite willen nemen om elkaar te leren verstaan’, antwoordt Van Gils. ‘Daarom was het ook zo belangrijk dat promovendus Jurgen een paar dagen per week bij ons in het ziekenhuis zat’, zegt Huiskamp. ‘Zo kon hij ook zien waar onze data vandaan kwam.’ Meijer kan zich nog herinneren hoe hij zelf langzamerhand de data van hersenmetingen begon te begrijpen. ‘Het kostte echt tijd om te snappen wat er precies gemeten werd en waarom’, licht hij toe. Andersom maakte neuroloog Leijten beter kennis met de bètawereld. Zo gaf hij gastlessen neurologie aan studenten Technische Geneeskunde. En Huiskamp ging met Meijer en Van Gils mee naar workshops voor wiskundigen. ‘Maar het belangrijkste is dat wij als wiskundigen ons verdiepen in het medische vakgebied’, vindt Meijer. ‘De neuroloog hoeft onze wiskundige analyses niet tot in detail te begrijpen, maar wij moeten wel goed snappen aan welk probleem we werken.’

Leerzame denkwijze

Hebben de onderzoekers ook dingen van elkaar geleerd? ‘Als dokter was ik erg onder de indruk van de manier waarop wiskundigen een probleem eerst uitkleden tot de essentie, in plaats van meteen naar antwoorden te zoeken’, antwoordt Leijten. ‘Die manier van denken leren wij niet aan tijdens de studie geneeskunde, terwijl zo’n houding heel goed is voor de wetenschap.’ Van Gils: ‘Andersom ben ik de rijkheid van de data van hersenmetingen erg gaan waarderen, al was het daarvoor wel noodzakelijk dat Frans en Geertjan de tijd namen om ze toe te lichten.’

Banden behouden

Uiteindelijk willen de onderzoekers zover komen dat het hersennetwerk van een patiënt in heel korte tijd – liefst twintig minuten - gemeten én door de computer gemodelleerd kan worden. Dan kan de chirurg in één operatie zowel de metingen uitvoeren als de optimale operatiestrategie bepalen en uitvoeren. Op dit moment zijn de onderzoekers bezig om subsidies aan te vragen voor vervolgonderzoek. ‘Dat doen we nu ook samen met fysicus Arjan Hillebrandt van het Amsterdam UMC’, zegt Huiskamp. Meijer: ‘Tot we nieuwe subsidies verkrijgen, blijven we in nauw contact via afstudeerstudenten Toegepaste Wiskunde en Technische Geneeskunde die hun stage uitvoeren bij UMC Utrecht of Amsterdam UMC. Zo behouden we een zekere continuïteit in het onderzoek.’ De vruchtbare samenwerking is kortom een blijvertje.