Effect van intralesionale elektrische stimulatie op hippocampale ritmes in een acuut model van een mediaal septaal microletsel (Effects of intralesional electrical stimulation on hippocampal rhythms in an acute model of a medial septal microlesion)

 Nabootsen van hersentaal herstelt functieverlies na letsel

De hersenen zijn het hoofdkwartier van ons lichaam. Miljarden hersencellen -de neuronen- werken er samen om belangrijke taken, zoals beweging, ademhaling en gedrag, te coördineren. Ze praten met elkaar via kleine elektrische stroompulsen. Soms loopt het ook mis, bij een hersenletsel bijvoorbeeld. Een wonde onderbreekt dan de informatiestroom tussen de neuronen en naargelang de plaats kunnen verschillende functies in het gedrang komen. Zou je dan niet (gedeeltelijk) die functie kunnen herstellen door zelf de taal van de hersenen na te bootsen op de plaats van het letsel? Een elektrische hersenstimulator is in staat de kleine elektrische stroompulsen via een metalen naald -de elektrode- over te brengen op het hersenweefsel. Voor de eerste keer hebben wij bij laboratoriumratten een elektrode in een letsel geplaatst. Door op die plaats het verbroken patroon van stroompulsen na te bootsen hebben we geprobeerd de bijhorende respons te herstellen.

Wanneer een groep neuronen hun stroompulsen synchroniseert, ontstaat een patroon of een hersenritme. Zo kan men onder bepaalde omstandigheden in de hippocampus van de rat een patroon van pulsen registreren dat zich 4 tot 12 keer per seconde herhaalt (d.w.z. een frequentie van 4 tot 12 Hz): een thetaritme. Het thetaritme in deze hersenstructuur gaat samen met verkennend gedrag en geheugenprocessen. Het verschijnt bijvoorbeeld als de rat in een nieuwe omgeving wordt geplaatst of als het dier zijn weg moet terugvinden in een doolhof. Cruciaal in de vorming van dit hersenritme is een andere structuur, de septale nucleus. Een letsel op deze plaats is in staat het hippocampale thetaritme te doen verdwijnen of de grootte van het signaal (de hoogte van de pulsen) te doen afnemen. Aan de andere kant kan elektrische stimulatie in de septale nucleus met een thetafrequentie een thetaritme in de hippocampus opwekken op momenten dat het normaal niet aanwezig is.

Tot nu toe werden beide ingrepen telkens apart uitgevoerd, maar voor dit onderzoek werden ze gecombineerd. Meer nog, tot nu toe werd elke elektrische stimulatie toegepast in intact hersenweefsel. Voor deze thesis hebben we het echter over een andere boeg gegooid. Voor de eerste maal is stimulatie in het letsel uitgevoerd. Gewonde neuronen reageren immers nog op elektrische pulsen. We onderzochten dus de hypothese dat letselstimulatie ook in staat is een verstoorde functie te herstellen. Het grote voordeel van deze aanpak is dat minder hersenweefsel beschadigd wordt omdat de elektrode, die de stroom geleidt, op een plaats ingebracht wordt die al beschadigd is.

De vraag is dus of we door stimulatie in het letsel de grootte van het thetaritme kunnen herstellen tot de oorspronkelijke grootte van vóór het letsel. Om dit te testen, verdeelden we 14 ratten in twee groepen: een letsel- en een controlegroep. Alle dieren kregen een elektrode ingeplant in de septale nucleus. Daarna werd er elektrisch gestimuleerd op een ritme van 10 pulsen per seconde met verschillende stimulatiesterktes (5, 6, 7, 8, 9 en 10 V) en in verschillende volgorde per rat. Dat leverde een thetaritme van 10 Hz op in de hippocampus met een verschillende grootte per toegepaste intensiteit.  Vervolgens maakten we in de letselgroep met dezelfde elektrode een klein letsel in de septale nucleus door 15 seconden lang een elektrische stroom van 200 µA toe te dienen. Beide groepen kregen tenslotte opnieuw de 10 Hz-stimulatie met dezelfde volgorde van stimulatiesterktes per rat als vóór het (niet-)letsel. Om uiteindelijk het effect van stimulatie in het letsel na te gaan, hebben we de grootte van het signaal vóór het (niet-)letsel vergeleken met de grootte erna en dat voor elke intensiteit.

In theorie zou de grootte van het signaal in de controlegroep tijdens de twee stimulatiesessies hetzelfde moeten blijven of eventueel wat verkleinen door uitputting van de neuronen. Na het letsel zou het thetasignaal weg zijn of toch zeker de grootte ervan verlaagd, maar -als onze hypothese klopt- zou de stimulatie in het letsel dit defect (deels) kunnen opvangen. Met andere woorden, we verwachten dat het antwoord op de stimulatie in de letselgroep ofwel gelijk is aan dat in de controlegroep, ofwel iets kleiner. Zien we dit nu ook in de resultaten? Niet helemaal. Enerzijds vertonen beide groepen een andere respons op de verschillende intensiteiten. Anderzijds is er niet alleen sprake van een verlaging of gelijkblijven van het signaal, maar zelfs van een vergroting. De ratten uit de controlegroep hadden typisch alleen op 6 V een sterke verhoging van de grootte van het thetaritme, maar een sterke verlaging op hogere stimulatie-intensiteiten. In de letselgroep traden er nooit zulke sterke schommelingen op en zelfs nooit een verlaging. Voor alle intensiteiten was er een lichte maar constante verhoging van het thetasignaal na het letsel.

Hoewel we deze onverwachte uitkomst niet onmiddellijk kunnen verklaren, toont het experiment wel aan dat stimulatie in een letsel in staat is een verstoorde functie te beïnvloeden. Deze ontdekking heeft grote implicaties voor de manier waarop hersenletsels behandeld worden. De heilzame effecten van elektrische stimulatie waren al langer gekend, maar door de techniek nu rechtstreeks in letsels toe te passen, kunnen enkele beperkingen aangepakt worden. Niet alleen wordt er dichterbij de bron van de functiestoornis gestimuleerd, de aanpak beschadigt ook minder hersenweefsel, wat dan weer voor minder eventuele nevenwerkingen zorgt. Deze thesis spitste zich toe op het herstel van een thetaritme, wat bij de rat een verbetering van geheugenstoornissen zou teweegbrengen. Het menselijke equivalent zou eveneens een functie in geheugenprocessen hebben, maar is nog onvoldoende onderzocht.

De techniek heeft echter een veel breder toepassingsgebied. Letsels veroorzaakt door een trauma zoals een verkeersongeluk of door wegsnijden van een tumor komen bijvoorbeeld in aanmerking. Stoornissen die hierdoor veroorzaakt worden, zijn onder andere epilepsie, chronische pijn,  bewegingsstoornissen of depressie. De letsels hebben de communicatie verbroken die deze processen anders in goed banen leidden. Door de taal van de neuronen na te bootsen op de plaats waar ze ontbreekt, lijkt het mogelijk de verstoorde functie positief te beïnvloeden.