18 oktober 2018

Een kijkje in de keuken van de hersenapparatuur

De hersenen: het meest fascinerende maar ook mysterieuze orgaan van ons lichaam. Niet gek dus dat wetenschappers alles in het werk gesteld hebben om meer te leren over onze kersenpit.

Ik werk nu in CUBRIC, een van de grootste hersenonderzoeksinstituten van Europa, waar we dit tot de bodem willen onderzoeken door verschillende technieken te combineren. Hier een overzichtje van wat we zoal kunnen meten.

EEG

Electroencephalography (EEG) meet de elektrische activiteit van de hersenen. Signalen worden in de zenuwcellen van de hersenen doorgegeven door een stroom van elektrisch geladen deeltjes (ionen). Bij EEG worden er tien of meer elektroden op de schedel geplakt, die zulke ionenstromen kunnen oppikken. Het verschil tussen de voltages bij twee elektroden meten we met een voltmeter. De EEG geeft ons een overzicht van de fluctuaties van deze voltages over tijd.

Het voltage dat gegenereerd wordt door een individuele zenuwcel is erg klein; veel te klein om te meten met EEG. De elektroden kunnen dus alleen activiteit meten wanneer meer dan duizend zenuwcellen tegelijkertijd actief zijn. Omdat de elektroden op de schedel geplakt zijn, is het moeilijker om activiteit te meten dieper in de hersenen.

Omdat de zenuwcellen georganiseerd zijn in bundels die in verschillende richtingen lopen, ontstaan er een soort ‘golven’ van elektrische activiteit. Deze golven meten we met de elektroden en hebben verschillende eigenschappen, afhankelijk van de locaties van de elektroden en de hersenactiviteit. Zo is er een verschil tussen EEG-metingen wanneer je wakker bent en wanneer je slaapt. Bij epilepsie is er soms een heel specifiek EEG patroon, wat helpt bij de diagnose.

Ook helpt EEG ons om beter te begrijpen wat er gebeurt bij verschillende cognitieve taken, zoals het onthouden van dingen, aandachtig luisteren, en lezen. De laatste technieken gebruiken wel 128 elektroden om dit zo nauwkeurig mogelijk te meten.

Elektroden worden bevestigd op de schedel met een soort muts.

MEG

De elektrische stromen in de zenuwbanen genereren op hun beurt magnetische velden (volgens de wetten van Ampere en Maxwell.) Deze meten we met magnetoencephalography (MEG). De magnetische velden zijn echter heel erg zwak; wel een biljoen keer zwakker dan de magnetische velden van magneetjes die je op je koelkast plakt!

Er zijn wel 50000 actieve zenuwcellen nodig om een meetbaar signaal te genereren. De MEG systemen maken dan ook gebruik van supergevoelige sensoren, de SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices). Deze werken alleen bij temperaturen lager dan -269 graden Celcius. Het MEG systeem moet dus continu gekoeld worden, en extreem goed geïsoleerd zijn, zodat andere magneetvelden vanuit de omgeving niet opgepikt worden.

Wanneer je een taak uitvoert, zoals het kijken naar beelden, verandert de hersenactiviteit. De magnetische velden gemeten door de MEG geven informatie over de activiteit tijdens de taak. Met behulp van wiskundige modellen wordt geprobeerd om de locatie van de magnetische activiteit vast te stellen. MEG laat verschillen zien in de hersenactiviteit van gezonde proefpersonen en patiënten, en er wordt er wordt veel onderzoek gedaan naar of dit kan helpen bij de diagnose.

De MEG scanner in Cardiff. De sensoren en koeling zijn verwerkt in het witte apparaat dat op het hoofd van een persoon wordt geplaatst.

Transcranial stumulation

Tdcs administration
Bij tES zijn twee elektroden (b en c) op het hoofd bevestigd, en hoofdbanden (d en e) houden de elektroden op hun plaats.

Met hersen-stimulatie worden zenuwcellen van buitenaf geactiveerd. Het idee is dat we op die manier kunnen beïnvloeden hoe de hersenen informatie verwerken, zich aanpassen aan nieuwe situaties (hersenplasticiteit), en gedrag tot stand brengen. Dit is mogelijk toe te passen bij de behandeling van bijvoorbeeld de ziekte van Parkinson, depressie, en epilepsie, maar ook in het leger en in de sport.

Sommige studies vonden bijvoorbeeld dat tES zorgde voor minder moeheid en een lagere hartslag tijdens sport, of een verhoogde alertheid tijdens legeroefeningen. Klinkt veelbelovend, maar bij het gebruik van tES in dit soort situaties komen natuurlijk een hoop regels en ethische vraagstukken kijken!

Bij elektrische stimulatie wordt een zwakke constante of variërende stroom afgegeven door elektroden op de schedel. Het idee is dat transcranial electrical stimulation (tES) op die manier invloed heeft op de signaalverwerking van de neuronen.

Bij magnetische stimulatie (TMS) wordt er een elektrische stroom door een spoel gestuurd die boven het hoofd van de proefpersoon wordt gehouden. Deze stroom genereert een magnetisch veld, die op zijn beurt weer een stroom in het brein genereert. Wanneer TMS wordt toegepast op de gebieden die verantwoordelijk zijn voor beweging, ontstaan er korte spierschokjes (of motor-evoked potentials).

Bij magnetische stimulatie (TMS) wordt er een elektrische stroom door een spoel gestuurd die boven het hoofd van de proefpersoon wordt gehouden.

MRI

Magnetic resonance imaging (MRI) gebruikt sterke magnetische velden en radiofrequentiepulsen om de zwakke magnetische velden van watermoleculen te meten. De magnetische signalen afkomstig van watermoleculen hangen af van allerlei eigenschappen van het weefsel: bijvoorbeeld de samenstelling van moleculen in de buurt, de beweging (of diffusie) van de watermoleculen zelf, en de toestroom van bloed dat zelf magnetische eigenschappen heeft.

MRI is voor mij zo interessant omdat je er ontzettend veel verschillende plaatjes mee kunt maken. Je kunt de pulsen op allerlei manieren variëren om verschillende eigenschappen te meten. En dat allemaal met één apparaat!

Als je meer over MRI wilt weten, check dan mijn vorige blog. In CUBRIC heb ik de kans om te werken met een van de nieuwste MRI scanners, waar er maar drie van zijn in de wereld! Lees hier meer over deze MRI scanner.

Een van de 4 MRI scanners in CUBRIC.

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.