MRI helpt precies te prikkelen

Diepe hersenstimulatie stopt bij Parkinsonpatiënten het trillen van de ledematen. Maar de plaatsing van de stimulatie-elektrode luistert heel nauw, anders zijn er vervelende bijwerkingen. Onderzoeker Ellen Brunenberg van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) ontwikkelde daarom een speciale techniek om van buitenaf het juiste onderdeel van de hersenen te lokaliseren.

door

Diepe hersenstimulatie wordt sinds de jaren tachtig toegepast bij mensen met een ernstige vorm van de ziekte van Parkinson. Deze ongeneeslijke hersenziekte veroorzaakt onder meer het bekende trillen van armen en benen. Bij diepe hersenstimulatie zorgen pulsen van een elektrode in het brein ervoor dat het trillen nagenoeg verdwijnt.

Ellen_brunenberg_tu_eindhoven
TU/e – Bart van Overbeeke

Maar er zijn vaak bijwerkingen, uiteenlopend van geheugenverlies en ongeremd gedrag tot depressie en extreme verslavingsgevoeligheid. Dit komt doordat de pulsen meer hersengebiedjes prikkelen dan eigenlijk de bedoeling is.

Ellen Brunenberg (TU/e) heeft daarom een techniek ontwikkeld waarmee je precies het juiste gebied kunt vinden. Ze gebruikt een ingenieuze manier: door met MRI de hersenbanen ernaartoe in kaart te brengen. Brunenberg: “Als je op een kaart de steden weghaalt, dan kun je aan de wegen nog zien waar de steden liggen.” Donderdag 8 september promoveert ze op haar proefschrift getiteld ‘Hitting the right target’.

Mri
Jan Ainali/Wikimedia Commons

Magnetic Resonance Imaging

In een MRI-scanner wordt weefsel blootgesteld aan een puls elektromagnetische straling. Dit zorgt ervoor dat de ‘spin’ (een speciale eigenschap van atoomkernen) in de watermoleculen omklapt. Na een tijdje klapt de spin vanzelf terug en de straling die daarbij vrijkomt, wordt opgevangen door de scanner. De sterkte van het signaal is een indicatie van de hoeveelheid watermoleculen. Een computer zet alle meetwaarden om in een 3D-beeld, zodat je voor elk gebied ziet welke meetwaarde het opleverde. Dit is in feite een 3D-weergave van het weefsel, want verschillende typen weefsel bevatten verschillende hoeveelheden water en dat veroorzaakt verschillende meetwaarden.

Op twee manieren

Om het trillen bij Parkinson tegen te gaan, moet de hersenelektrode het motorische gedeelte van de subthalamic nucleus (STN) stimuleren. De STN is echter een hersengedeelte ter grootte van een cashewnoot; dus het is lastig die precies te treffen, laat staan een specifiek deel ervan. De prikkels komen zodoende vaak terecht in de gedeelten die geassocieerd worden met emoties en denken, wat de bijwerkingen veroorzaakt.

Standaardbrein

Neurochirurg Jean Talairach (1911-2007) ontwikkelde een coördinatensysteem voor het menselijk brein, dat beschrijft hoe de hersenen in elkaar zitten, ongeacht individuele verschillen zoals grootte en vorm. Locaties van hersengebieden staan nu als het ware vast en die zijn opgeslagen in de Talairach-atlas. Wanneer een MRI-beeld wordt omgevormd naar het Talairach-systeem, geeft de atlas aan waar een bepaald hersengebied zich bevindt.

De techniek van Brunenberg en haar collega’s is de eerste methode die de verschillende gebieden van de STN non-invasief (dus van buitenaf) kan lokaliseren.

Op basis van MRI’s bepaalde Brunenberg eerst de locatie van de STN als geheel. Dat deed ze met behulp van de Talairach-atlas. Vervolgens onderzocht ze met andere typen MRI’s de deelgebieden van de STN.

Ze analyseerde twee soorten verbindingen tussen de STN en de rest van het brein: de structurele verbindingen (‘hoe lopen de draadjes?’) en de functionele verbindingen (‘welke gebieden zijn tegelijk actief?’).

Volg het water

De structurele verbindingen onderzocht Brunenberg met HARDI (high-angular-resolution diffusion imaging), een vorm van diffusion MRI. Daarbij wordt geen gelijkmatig (homogeen) magnetisch veld aangelegd, zoals bij gewone MRI, maar een ‘verloop’. Dat wil zeggen dat de sterkte van het magnetisch veld verschilt per locatie: het ene watermolecuul komt terecht in een sterk veld, het andere in een zwakker veld, en de volgende in een nog zwakker veld.

Het gevolg is dat de moleculen na een puls elektromagnetische straling niet meer dezelfde spin hebben. Dat maakt op zich niet uit, want na een puls met een tegenovergesteld verloop draaien ze precies weer terug. Tenzij de moleculen in de tussentijd van plaats zijn veranderd. In dat geval geven de moleculen na de tweede puls een ander signaal af dan na de eerste.

Diffusion-mri

Hier zie je het principe van diffusion MRI. De elektromagnetische straling is bij de eerste puls niet overal gelijk, waardoor de spin van de watermoleculen niet tegelijk omklapt. Bij de tweede puls – met tegengesteld verloop in elektromagnetische straling – wordt dat verschil weer rechtgetrokken, tenzij de moleculen van plaats zijn veranderd. Brunenberg, 2011

Het verschil in signaal kun je visualiseren om te zien of en waarheen de watermoleculen bewegen. En dat is heel bruikbare informatie, want in het brein verplaatst water zich vooral via de aanwezige vezels van witte stof. Dus als je door de diffusion MRI weet waar watermoleculen bewegen, weet je eigenlijk waar de transportvezels zich bevinden. Speciale computerprogramma’s kunnen dat precies voor je uitrekenen én in beeld brengen.

Zenuwbanen_small

Met behulp van diffusion MRI zijn de transportvezels in het brein gevisualiseerd. De witte pijl wijst naar de STN (een klein wit gebiedje). Brunenberg, 2011

In verbinding

Toen Brunenberg de structurele connectiviteit eenmaal in beeld had, heeft ze onderzocht of deze verbindingen verraden waar het motorische gedeelte van de STN zich bevindt, en dat bleek zo te zijn. Onderstaande figuur laat voor elk stukje van de STN zien hoeveel connectiviteit er is met onderdelen van de motorische cortex, het hersengebied dat verantwoordelijk is voor beweging. Hoe geler de bol, hoe meer het corresponderende stukje STN verbonden is met de motorische cortex.

Structureleconnectiviteit_stn_v2b

Hier zie je de structurele connectiviteit: in hoeverre zijn gebieden van de STN (de bollen) verbonden met het motorisch systeem van het brein? Figuur (a) toont de verbindingen met de motor cortical areas, (b) met de Brodman area 4, (c ) met de Brodman area 6 en (d) met de precentral gyrus. Dit zijn allen hersengebieden die te maken hebben met het bewegen van ons lichaam. Brunenberg, 2011

De figuur laat zien dat de verbondenheid tussen de STN en motorische cortex van binnen naar buiten toeneemt: in het midden is het veelal rood, maar aan de buitenzijden geel. Dat suggereert dat de motorische afdeling van de STN zich aan de buitenkanten bevindt. Je kunt dus inderdaad de structurele connectiviteit (de wegenkaart) gebruiken om specifieke onderdelen van de STN te lokaliseren.

Dezelfde functie

Brunenberg onderzocht ook de functionele connectiviteit: zijn de gebieden van de STN tegelijk actief met bepaalde gedeelten elders in het brein? Ook dat is namelijk een manier om onderdelen van de STN te onderscheiden. Zo zal het gebiedje dat tegelijk actief is met het motorisch systeem van het brein, het motorische stukje van de STN zijn.

Om de functionele connectiviteit te achterhalen, gebruikte Brunenberg wederom MRI, maar dan functionele MRI. Dat is een techniek om de hersenen in actieve toestand te visualiseren. Brunenberg berekende met de computer of hersenactiviteit op de plek van de STN correleert met activiteit in andere gebieden. Om precies te zijn: of er correlatie is met het motorisch systeem (dat gaat over beweging) en/of het limbisch systeem (dat gaat over emotie).

Functioneleconnectiviteit_stn

In deze figuur staat elke bol weer voor een bepaald deel van de STN. De kleur toont hoe sterk de activiteit in het gebied correleert met activiteit in het motorisch systeem (a) en limbisch systeem (b). Brunenberg, 2011

Uit de visualisatie blijkt dat vooral het posterior lateral-gedeelte (achterliggende buitenzijde) functioneel verbonden is met het motorisch systeem, want daar zitten de meeste gele bollen. Het anterior medial-gebied (middenvoor) heeft die verbinding niet, dat zie je aan de rode bollen. Het ligt dus voor de hand dat de achterliggende buitenkant van de STN het motorische gebied is. De onderste figuur bevestigt dat: daar is het anterior medial-gebied juist geel, wat betekent dat daar een functionele verbinding is met het limbisch systeem. Dit verschil toont aan dat de onderdelen van de STN inderdaad onderscheiden kunnen worden door naar functionele connectiviteit te kijken.

Belangrijke stap

Brunenberg heeft laten zien dat het onderzoeken van verbindingen (fysieke of functionele) een manier is om het motorische stuk van de STN te vinden. Dat is een belangrijke stap in de richting van een effectievere behandeling van Parkinsonpatiënten. Met de nieuwe techniek moet het straks mogelijk zijn om de hersenchirurg voorafgaand aan de operatie te vertellen waar in de hersenen hij de elektrode precies moet inbrengen voor een optimaal effect met zo min mogelijk bijwerkingen.

Voor het zover is moet echter nog onderzoek gedaan worden met Parkinsonpatiënten. “We hebben nu met gezonde vrijwilligers gewerkt. Maar Parkinsonpatiënten kun je bijvoorbeeld lastiger laten stilliggen”, zegt Brunenberg. Ook is het nog niet zeker of de hersenen van mensen met Parkinson er op een scan hetzelfde uitzien. Andere onderzoekers aan de TU Eindhoven zijn van plan het onderzoek voort te zetten.

Bronnen

  • Brunenberg, ‘Hitting the right target Noninvasive localization of the subthalamic nucleus motor part for specific deep brain simulation’, 2011
  • Seunarine et al., ‘Exploiting peak anisotropy for tracking through complex structures’, Proc. Mathematical Methods in Biomedical Image Analysis, pp. 1–8, 2007

Zie ook:

Lees meer over techniek in de medische wereld op Kennislink: