Wanneer medicijnen onvoldoende zijn om aanvallen te voorkomen, kunnen patiënten met epilepsie in aanmerking komen voor hersenchirurgie. Helaas heeft ook een operatie niet altijd het gewenste effect. Door een computermodel van het brein van een patiënt te construeren en zo vooraf de operatie na te bootsen, is de uitkomst van chirurgie mogelijk te verbeteren, zo blijkt uit onderzoek van UMC Utrecht en Universiteit Twente. Neuroloog dr. Frans Leijten (UMC Utrecht), fysicus dr. Geertjan Huiskamp (UMC Utrecht) en wiskundigen dr. Hil Meijer en prof. Stephan van Gils (Universiteit Twente) ontvingen hiervoor op 20 mei 2021 een Parel van ZonMw.

Epileptische aanvallen
Epilepsie is een aanvalsgewijze ziekte die aangeboren kan zijn of pas op latere leeftijd tot uiting komt. Tijdens een epileptische aanval ervaart de patiënt een tijdelijk verlies van bewustzijn of een gewijzigd bewustzijn. Hij of zij verliest meestal ook de controle over bepaalde spieren. Op biologisch niveau ontstaat een aanval doordat veel neuronen (zenuwcellen) in de hersenen gelijktijdig en ongeremd gaan vuren.

Doordat de aanvallen over het algemeen onverwacht komen, kan epilepsie veel impact hebben op het dagelijks leven. Medicijnen kunnen helpen om aanvallen te voorkomen, maar werken niet bij iedereen. Als medicijnen geen uitkomst bieden en de aanvallen veel last geven of gevaarlijke situaties veroorzaken, is hersenchirurgie een optie. Dit is alleen mogelijk bij focale epilepsie: een veel voorkomende vorm van epilepsie waarbij de aanvallen vanuit één bepaald hersengebied ontstaan. In ongeveer 70% van de gevallen werkt de operatie goed; 30% van de patiënten blijft last houden van aanvallen.

De operatie
Tijdens de operatie probeert de chirurg de haard van de aanvallen te verwijderen. Van tevoren moet dus goed in kaart worden gebracht op welke plaats in de hersenen de aanvallen ontstaan. Dit gebeurt met onder meer elektro-encefalografie (EEG) (een methode om van buitenaf de elektrische activiteit van de hersenen te meten), MRI-scans en in sommige gevallen ook diepte-EEG’s. Bij diepte-EEG’s krijgt iemand via een operatie elektroden in de hersenen geplaatst die daar een week blijven zitten om aanvallen te registreren. Daarnaast moet duidelijk zijn dat de operatie niet gaat leiden tot verlies van belangrijke hersenfuncties. Als de haard van de epileptische aanvallen zich op een locatie bevindt waar de kans op functieverlies groot is, gaat de operatie niet door. Dat geldt ook wanneer het onduidelijk blijft vanuit welk gebied de aanvallen ontstaan. Het geheel van voorbereidend onderzoek kost veel tijd en is belastend voor de patiënt.

Modelleren in de computer
Om beter te kunnen begrijpen hoe epileptische aanvallen ontstaan, kunnen onderzoekers met proefdieren werken. Dat heeft echter ethische bezwaren en bovendien verschilt de hersenschors van mensen veel van die van dieren, waardoor de resultaten van dieronderzoek mogelijk onbetrouwbaar zijn. De onderzoekers van het ZonMwproject vertrouwen daarom liever op computermodellen die gebaseerd zijn op hersenonderzoek bij patiënten. Ze gebruiken hiervoor een mat met 64 elektroden op een regelmatig rooster die ze tijdens een hersenoperatie rechtstreeks op de hersenen van de patiënt plaatsen. De mat is ongeveer 60 cm2 groot. Door met elk van de elektroden korte stroompjes toe te dienen en vervolgens te meten welke andere elektroden daarop reageren, kunnen de onderzoekers in kaart brengen hoe hersengebieden onderling verbonden zijn. Deze metingen vormen de basis voor het computermodel. Bij bepaalde verbindingen en instellingen in het model is het mogelijk om een epileptische aanval te simuleren: de betreffende neuronen in het computermodel gaan dan tegelijk vuren.

Het ontwikkelen van zo’n model is niet eenvoudig: één elektrode meet het gemiddelde gedrag van honderdduizenden neuronen. Met een zogenoemd neural mass model is het mogelijk om dit gedrag op de computer door te rekenen. Het systematisch doorrekenen van 64 neural mass models vergt echter veel computerkracht. De onderzoekers startten daarom met vier elektroden. Ook dit beperkte model, waarin wiskundige kennis over netwerken en dynamica samenkomen, leverde al nuttige inzichten op die ook klinisch toepasbaar zijn.

Klinische toepassingen
Zo blijkt uit simulaties dat het niet altijd noodzakelijk is om de haard van de aanvallen weg te halen om de aanvallen te stoppen. Het doorsnijden van een verbinding elders in het netwerk kan hetzelfde effect hebben. Dit betekent dat patiënten die eerder niet in aanmerking kwamen voor chirurgie, omdat de haard zich bij hen in een onmisbaar deel van de hersenen bevindt, in de toekomst mogelijk toch geopereerd kunnen worden. Er is nog wel veel vervolgonderzoek nodig voordat de onderzoekers dit bij patiënten kunnen gaan toetsen. Uiteindelijk willen de onderzoekers zover komen dat het hersennetwerk van een patiënt in korte tijd – liefst twintig minuten - gemeten én door de computer gemodelleerd kan worden. Dan kunnen in één operatie zowel de metingen gedaan worden als de optimale operatiestrategie bepaald en uitgevoerd.

De verworven inzichten leidden daarnaast tot een ander onderzoeksproject dat nieuwe therapeutische mogelijkheden laat zien. In het model blijkt namelijk dat bepaalde elektrische stimulaties epileptische activiteit kunnen onderdrukken. Wellicht wordt het in de toekomst mogelijk om een soort slimme pacemaker te plaatsen in de hersenen van een epilepsiepatiënt. Die zou dan bij een beginnende aanval elektrische signalen kunnen afgeven om de aanval te onderdrukken.

Samenwerkingsverband
Binnen het ZonMw-project werkten neuroloog dr. Frans Leijten en medisch fysicus dr. Geertjan Huiskamp van het UMC Utrecht nauw samen met wiskundigen dr. Jurgen Hebbink, dr. Hil Meijer en prof. Stephan van Gils van de Universiteit Twente. Hebbink promoveerde in 2019 op het onderzoek. De samenwerking is allen goed bevallen en zij vulden elkaar goed aan: waar de medische experts de data leverden en veel konden uitleggen over de oorsprong en betekenis daarvan, was de wiskundige expertise noodzakelijk om het computermodel te ontwikkelen. Het plan is dan ook om het onderzoek te vervolgen. De onderzoekers hebben daarvoor nieuwe subsidies aangevraagd, deze keer in samenwerking met het Amsterdam UMC. In de tussentijd houden zij nauw contact via afstudeerstudenten Toegepaste Wiskunde en Technische Geneeskunde die hun stage uitvoeren bij UMC Utrecht of Amsterdam UMC.

Meer informatie: ZonMw-parelpagina