Hoe slimme sensoren epilepsie kunnen voorkomen
In Delft en Rotterdam werken Wouter Serdijn en Christos Strydis samen aan een netwerk van sensoren en stimulatoren voor het lichaam. Door signalen op te pikken en razendsnel een wake-upcall naar de hersenen te sturen, hopen ze epileptische aanvallen te kunnen voorspellen en voorkomen. ‘Als we de lus kunnen sluiten, hebben we de techniek binnen drie jaar klaar.’
Epilepsie is een verzamelnaam voor aandoeningen in de hersenen, die ontstaan door een verandering in elektrische activiteit van de hersencellen. Deze neuronen worden ineens overactief en vuren hun elektrische signalen ongecontroleerd in de rondte. Soms leidt dat tot ‘kortsluiting’: aanvallen waarbij een patiënt het bewustzijn verliest of onwillekeurige spiersamentrekkingen krijgt. Dat kan leiden tot gevaarlijke situaties voor de ruim 200 duizend Nederlanders met epilepsie. Maar wat gebeurt er precies tijdens een epileptische aanval? Wat doen die overactieve hersencellen precies? En hoe kunnen we dat proces beïnvloeden? Wouter Serdijn, hoogleraar Bioelektronica aan de TU Delft, probeert antwoord op die vragen te krijgen door technologie te onderzoeken en te ontwerpen voor het monitoren, diagnosticeren en behandelen van epilepsie.
‘Bij een aanval staan alle neuronen tegelijkertijd te springen. Vooral bij grote aanvallen raken ze letterlijk uitgeput.‘
Onderonsje
‘Ken je de band Rage Against The Machine?’, vraagt Wouter. ‘Ik vergelijk epilepsie altijd met hun liedje Killing in the name of. Epilepsiedeskundigen verklaren me voor gek als ik deze vergelijking maak, maar dit is wel wat ik op de signalen zie. Bij het refrein staat iedereen alleen maar tegelijkertijd te springen.’ Bij een aanval gebeurt hetzelfde met de hersenactiviteit. Dat versterkt het signaal, wat de informatie-uitwisseling tot nul reduceert. De epileptische aanval is een feit.
Dat soort aanvallen zorgen voor een flinke daling van de kwaliteit van leven bij patiënten, zegt Wouter. ‘Al die 200 duizend Nederlanders mogen niet autorijden of zware machinerie besturen.’ Bovendien moeten ze constant oppassen tijdens hun dagelijkse bezigheden: ook stress of lichtflitsen kunnen een aanval uitlokken. Medicijnen werken bovendien niet altijd om aanvallen te voorkomen. ‘Vooral bij grote aanvallen gaan de hersencellen gewoon kapot. Ze raken letterlijk uitgeput en sterven af.’ Wouter zoekt daarom vanuit een technologische invalshoek naar oplossingen om het lichaam te helpen bij het voorkomen van die “eigenzinnige onderonsjes” tussen hersencellen.
Wake-upcall
Als hoogleraar Bioelektronica werkt Wouter aan technologie die de interactie aangaat met de elektriciteit in het lichaam, en probeert hij die te meten en te beïnvloeden. Maar voor epilepsie is dat makkelijker gezegd dan gedaan: je hebt er, net als bij een op en neer springende menigte, weinig vat op. De hele hersenschors – het gebied in de hersenen dat informatie ontvangt, interpreteert en analyseert – is bij het proces betrokken, zegt Wouter. ‘Dus wat je wil is een wake-upcall voor die hele hersenschors, die de natuurlijke communicatie herstelt zonder dat je hem stillegt.’
Samen met het Erasmus MC in Rotterdam onderzoekt hij de rol van de kleine hersenen, het cerebellum, als overbrenger van informatie. ‘Het cerebellum is verantwoordelijk voor de motoriek van ons lichaam en vertakt zich tot in alle delen van de hersenen. Die verbindingen kunnen ons helpen bij het sluiten van de lus: nauwkeurig detecteren waar en wanneer een aanval ontstaat, een interventie doen die alle delen van het brein bereikt, en vervolgens het effect meten van die interventie.’
Rocket science met patiënten
Een van die onderzoekers in het Erasmus MC die de brug vormt tussen kliniek en techniek, is Christos Strydis. Hij is een computeringenieur met Delftse roots, die werkt als Universitair docent bij de afdeling Neurowetenschappen. ‘Soms voel ik me net een vertaler,’ zegt Christos. ‘In Rotterdam is er kennis over de werking van de hersenen en de verbindingen tussen de verschillende hersenonderdelen, en in Delft heeft men ruime ervaring met het bouwen van technologische oplossingen.’ Christos moet beide talen spreken. ‘Sommige bioelektronische oplossingen die we bedenken voor de neurowetenschappen zijn geen rocket science, andere zijn dat wel. Wij ingenieurs zouden nooit ervaring met patiënten kunnen opdoen als we in Delft zouden blijven.’
‘Als wij ingenieurs allemaal in Delft zouden blijven hangen, zouden we nooit ervaring met patiënten hebben.‘
Vanuit dat idee zetten Wouter en Christos samen een platform op, waarbij ze het medische vraagstuk rond epilepsie beantwoorden vanuit ingenieursperspectief. Ze kregen er een beurs voor vanuit Delft Health Initiative. Hun project, ECLEPSys (Ensemble, Closed-Loop, Epilepsy-Prevention System), bestaat uit een prototype voor een sensornetwerk, dat bestaat uit implanteerbare en draagbare sensoren en stimulatoren. De eerste groep meet signalen uit de hersenen, de tweede koppelt een signaal terug het lichaam in. Dat signaal moet de hersencellen op zo’n manier stimuleren dat ze weer in de pas gaan lopen.
‘Het is eigenlijk hartstikke logisch dat neurowetenschappers en ingenieurs samen optrekken,’ zegt Wouter Serdijn. Hij is hoogleraar Bioelektronica aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica van de TU Delft. Zijn hele wetenschappelijke carrière speelde zich af in Delft: van zijn masterdiploma tot zijn benoeming als hoogleraar. ‘Ik ben een Delftse jongen. Op een bepaalde manier is dat eigenlijk best saai. Maar ik vind het gewoon een geweldige plek.’ Wouter is een van de weinige ingenieurs met een aangeboren interesse in medische technologie. Vanuit zijn expertise in de bioelektronica werkte hij onder andere aan pacemakers, gehoorimplantaten en neurostimulators.
‘Jij noemt het saai, maar je hebt wel al flink wat kilometers op de teller staan’, zegt Christos Strydis. Hij behaalde zijn masterdiploma Computer Engineering en doctoraat op de TU Delft. Zijn carrière in de neurowetenschappen kwam op stoom in Rotterdam, waar hij promoveerde. Sindsdien werkt hij als universitair docent op de afdeling Neurowetenschappen bij het Erasmus MC. Daar vormt hij als ingenieur een brug tussen neurowetenschappen en technologie. Christos kreeg onlangs samen met Wouter een beurs van het Delft Health Initiative voor het uitwerken van het ECLEPSys-project in het kader van Convergence, het samenwerkingsprogramma tussen de TU Delft en het Erasmus MC in Rotterdam.
Zandbak
ECLEPSys behelst het bouwen van een compleet medical body area network (MBAN). Dat is een deels draadloos netwerk van nodes, knooppunten met elk een eigen taak: sensoren, stimulatoren en een computer die de signalen op elkaar afstemt. Een MBAN is doelmatiger dan bestaande technologie, omdat wordt gemeten, bijgestuurd en gerekend op of bij het lichaam. Vooral bij epilepsie kan ECLEPSys daarom een verschil maken, maar Christos denkt groter. ‘Het MBAN kan ook worden toegepast voor de behandeling van andere aandoeningen: hartritmestoornissen, Parkinson, migraine of oorsuizen. We willen laten zien dat het mogelijk is om patiënten te helpen door machine learning en algoritmes toe te passen op biosignalen.’ ECLEPSys moet je zien als een zandbak, waarin ideeën kunnen worden getest. ‘Daarbij kun je denken aan nieuwe sensoren, nieuwe vormen van stimulatie en manieren om data te analyseren. Maar ook dataveiligheid valt binnen dit project.’
Voor epilepsiepatiënten moet ECLEPSys leiden tot een nieuwe behandelmethode, gecombineerd met medicijnen. ‘Mijn verwachting is dat we hiermee epilepsie kunnen onderdrukken of controleren,’ zegt Wouter. ‘Het mooie aan deze vorm van neurostimulatie is dat je het aanzet en dat het dan gelijk werkt. En andersom: dat het direct stopt als je het niet meer wilt. Dat maakt de behandeling persoonlijk en gericht. Zo snel zijn medicijnen nooit: die weten niet waar ze in het lichaam naartoe moeten.’
Werk aan de winkel
Maar zover is het nu nog niet, zegt Wouter. ‘We hebben wel al een systeem dat epileptische aanvallen kan detecteren en onderdrukken, maar dat werkt alleen nog bij muizen. Hun cerebellum heeft veel overeenkomsten met dat van een mens.’ Door de hersengolven te meten en het cerebellum te stimuleren, konden Wouter en Christos een epileptische aanval elders in de hersenen onderdrukken. Daarmee is aangetoond dat het principe werkt, zegt Wouter. ‘We konden binnen 0,4 seconden detecteren dat er een aanval aankwam en hem de kop indrukken.’
Maar voordat patiënten met epilepsie weer veilig achter het stuur kunnen kruipen, is er nog een hoop werk aan de winkel. Zo is het energiebeheer van de sensoren en stimulatoren nog niet optimaal. Bovendien is de techniek die Wouter en Christos gebruiken nog niet vrijgegeven voor mensen. ‘Ons systeem is nog geen netwerk. We werken aan andere manieren om signalen in de hersenen te krijgen. En in plaats van hersenfilmpjes werken we aan andere soorten feedback. We weten dat het lichaam signalen geeft voordat een aanval begint: zweten, verwijde pupillen of een verhoogde hartslag. Die informatie moeten we leren gebruiken.’
‘Er is bij patiënten een grote variabiliteit. Dat vraagt om een andere aanpak.‘
Vertalen
Voordat Wouter en Christos het systeem bij patiënten kunnen testen, willen ze het eerst zo efficiënt mogelijk maken. De samenwerking tussen Rotterdam en Delft is daarbij essentieel: het realisme van de medische experts in Rotterdam houdt de Delftse ingenieurs met hun getting things done-mentaliteit in toom. ‘Zonder contact met het Erasmus zouden we nooit zover zijn,’ zegt Wouter. ‘Ingenieurs geloven heilig in de kracht van de herhaling. Als we iets twee keer hetzelfde maken, moet het ook hetzelfde werken. Maar bij patiënten gaat dat principe niet op. Er is een grote variabiliteit tussen patiënten, zelfs bij dezelfde patiënt op andere tijdstippen. Dat vraagt om een andere aanpak.’
Bovendien gaat het niet alleen om de techniek, vult Christos aan. ‘Als je dit naar mensen brengt, moet je eerst discussies voeren over ethiek en kwaliteit van leven. Je kunt hersenactiviteit niet overal op het lichaam meten. Wil je een patiënt wel opzadelen met allerlei sensoren op zijn hoofd?’ Toch denkt Wouter dat de techniek achter ECLEPSys binnen afzienbare tijd te vertalen is naar de mens. ‘Met broddelwerk kun je niet bij mensen aankomen. Maar ik ben optimistisch. Als we epileptische aanvallen kunnen voorspellen met de juiste signalen, kunnen we de lus sluiten. Dan hebben we de techniek binnen drie jaar wel klaar.’
Dit artikel verscheen in maart 2020 op Nodes