focus Brein - Erasmus MC

focus Brein
De poort staat
weer open
20
oktober 2009 • Monitor
Tekst Gert Jan van den Bemd | Beeld Levien Willemse
John Donoghue is gastspreker op
Lof der Geneeskunst 2009, de
jaarlijkse publiekslezing van Erasmus MC. Donoghue is Professor of
Neuroscience and Engineering aan
de prestigieuze Brown University
in Providence, Rhode Island, VS. Hij
leidt daar het Brown Intistute for
Brain Science. Zijn belangrijkste
onderzoeksvraag: hoe zetten hersenen gedachten om in bewegingen?
Met de verkregen kennis proberen
de onderzoekers technologieën te
ontwikkelen waarmee mensen met
bijvoorbeeld een verlamming de
controle over hun ledematen kunnen
terugkrijgen.
H
et zijn handelingen waar een gemiddeld mens niet
bij stilstaat, maar achter een relatief simpele beweging – het pakken van een appel uit een fruitschaal
of het zetten van een stap – gaat een complex systeem
schuil. De omzetting van een abstract plan (het voornemen om bijvoorbeeld iets te pakken of om te gaan lopen)
in een daadwerkelijke handeling vindt plaats door samenwerking van grote aantallen zenuwcellen (neuronen) in de
hersenen. Maar hoe wordt de beslissing om te gaan lopen,
omgezet in een handeling waarbij een voet ook echt wordt
opgetild en een meter verder weer wordt neergezet? Donoghue denkt dat de hersenen onze gedachten ‘vertalen’
door specifieke groepen van zenuwcellen te activeren.
Niet alleen de hoeveelheid neuronen speelt daarbij een
rol, maar ook de duur en de mate waarin de zenuwcellen
gestimuleerd worden.
Leerproces
Technisch gezien is het een hele opgave om de activatie
en het samenspel van de neuronen in kaart te brengen.
De onderzoekers op het laboratorium van Donoghue zijn
experts op het gebied van multielektrode arrays. Deze
microscopisch kleine schakelkastjes bevatten elektroden
die de activiteit van groepjes neuronen kunnen meten.
Die metingen kunnen plaatsvinden in hersencellen die
in plastic schaaltjes worden gekweekt, maar ook in de
hersenen van proefdieren. Het laboratoriumonderzoek
met deze arrays heeft aangetoond dat de aansturing van
de spieren om bijvoorbeeld een hand in de richting van
een fruitschaal te bewegen en vervolgens een appel te grijpen, ligt opgeslagen in een klein gebied in de motorische
cortex, gelegen aan de buitenzijde van de grote hersenen.
Dezelfde neuronen bepalen ook of de grijpbeweging moet
plaatsvinden met de gehele arm of alleen met de hand. De
neuronen coördineren niet alleen de beweging, maar reageren ook op de veranderingen in de positie van de hand
en de arm en spelen daar weer op in. Dat betekent volgens
Monitor • oktober 2009
Donoghue dat er in de motorische cortex een leerproces
plaatsvindt: doordat we met onze ogen kijken naar de
beweging worden de neuronen voortdurend beïnvloed in
het aansturen van de beweging.
Bewegen door te denken
Donoghue: “Bij verlammingen is er vaak sprake van een
verstoorde communicatie tussen het lichaam en een
verder goed functionerend brein. Het gevolg is dat voorgenomen bewegingen niet kunnen worden uitgevoerd. We
ontdekten tijdens onderzoek met verlamde patiënten dat
er jaren na een ongeval of ziekte nog steeds een activiteit
in de motorische cortex meetbaar is. Bovendien: alleen
het denken aan een beweging bleek al voldoende om de
neuronen te activeren. Het probleem bij deze patiënten
is de verstoorde communicatie tussen het brein en de
spieren.” De poort tussen de hersenen en de spieren is als
het ware gesloten. Maar Donoghue wist de poort weer op
een kier te zetten.
Optimistisch
Er werd een schakelsysteem ontwikkeld, de BrainGate,
om bij mensen met verlammingen de communicatie, de
controle en mogelijk de motoriek te herstellen. De BrainGate is een implanteerbare sensor die neuronactiviteit in
de hersenen registreert. De signalen worden vervolgens
met behulp van wiskundige berekeningen vertaald in
bewegingen.
De Amerikaan Matthew Nagle was één van de eerste
patiënten bij wie de BrainGate in de hersenen werd aangebracht. Op tweeëntwintigjarige leeftijd werd Nagle door een
onbekende in zijn nek gestoken. Nagle raakte vrijwel volledig verlamd. Met de BrainGate kan hij nu weer bewegingen
aansturen door te denken aan die beweging. Een voorbeeld:
Nagle kijkt naar de cursor op zijn beeldscherm, denkt dat de
cursor naar rechts moet verschuiven en... de cursor schuift
naar rechts. Nagle is dankzij de BrainGate inmiddels weer
in staat om emailberichten te lezen, hij kan een eenvoudig
computerspel spelen, de televisie bedienen en het licht
aan- en uitdoen. Er is nog meer winst te halen, want de
techniek maakt de aansturing van robotarmen en –benen
en andere hulpmiddelen ook mogelijk.
Achter een simpele
beweging gaat een
complex systeem schuil
Het is nog maar een begin, maar Donoghue is optimistisch: “We hebben gezien dat het systeem werkt bij pa­
tiënten met verlammingen als gevolg van beschadigingen
aan het ruggenmerg, Amyotrofische Laterale Sclerose (de
spierziekte ALS), een hersenbloeding, spierdystrofie en
andere aandoeningen. We zijn nu bezig om het apparaatje
geschikt te maken voor dagelijkse toepassing. We werken
binnen een multidisciplinair team aan een minuscule,
volledig implanteerbare sensor en draagbare elektronica. En we zijn bezig met het ontwikkelen van andere
toepassingen. Het sensorsysteem kan ons ook helpen
bij het ontrafelen en uiteindelijk behandelen van andere
neurologische aandoeningen zoals epilepsie.”
21