Wist u dat een computermodel van rattenhersenen het onderzoek naar de ziekte van Alzheimer kan versnellen?

Een kleine 500 jaar geleden werd in Leuven de hersenanatomie door Vesalius beschreven. Vandaag de dag gebruiken neurowetenschappers elektrodes om bepaalde hersenactiviteiten te meten en om de werking van de hersenen ten volle te kunnen begrijpen. Deze elektrodes worden geïmplanteerd in de hersenen van ratten. Een goede compatibiliteit tussen de elektrode en de hersenen is van belang voor een lange levensduur van de elektrode. Industrieel ingenieurs Brecht Lenaerts en Jeroen Samoey stelden in het kader van hun thesisonderzoek een computermodel op dat de verplaatsing van de elektrode in de hersenen kan voorspellen. Dit model zal een invloed hebben op de keuze van de ideale elektrodematerialen van de toekomst…

Ontwikkeling van elektrodes met hersenaandoeningen als drijfveer

35% van alle ziektes is gerelateerd aan een of andere aandoening aan de hersenen. Onze hersenactiviteit is de drijfveer achter onze bewegingen, onze zintuiglijkheid en ons bewustzijn. Door het meten van elektrische pulsen in onze hersenen verrichten wetenschappers fundamenteel onderzoek naar de werking van het leervermogen en het geheugen. Dit heeft als doel nieuwe therapieën te ontwikkelen voor onder meer de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer.

Het opmeten van de elektrische pulsen gebeurt met behulp van zogenaamde elektrodes, die chirurgen implanteren in rattenhersenen. Die elektrodes zijn fijne draadjes met een haardikte van 60 µm (1 µm is gelijk aan een duizendste van 1 mm). Er zijn echter weinig toepassingen van elektrodes die gedurende langere periodes in de hersenen operationeel kunnen blijven. Men wil namelijk telkens het elektrisch signaal op een bepaald punt in de hersenen opmeten, maar de voortdurende beweging tussen elektrodes en rattenhersenen verstoort de metingen. Dit leidt uiteindelijk tot mechanische spanningen tussen de elektrode en het hersenweefsel. De geïmplanteerde elektrode moet enerzijds uit een materiaal bestaan dat de bewegingen van de hersenen kan volgen en mag anderzijds geen microschade aan de hersenen veroorzaken.

Een computermodel van bewegende hersenen?

Inderdaad, onze hersenen bewegen in onze schedel en bij ratten is dit niet anders. De normale bewegingen van een rat hebben onder andere een invloed op de beweging van de hersenen. Onder normale bewegingen verstaat men het voortbewegen van de rat alsook het draaien van het hoofd. Andere belangrijke factoren die invloed hebben op de beweging van de rattenhersenen zijn de ademhaling en de bloedcirculatie. Enerzijds zorgt de ademhaling voor een drukgolf van de longen naar de hersenen. Anderzijds schommelt de druk in de aders van de hersenen tussen een lage en een hoge druk, met drukgolven als gevolg. De impact van deze drukgolven zorgt voor bewegende hersenen en dus ook bewegende elektrodes. Al deze factoren werden op basis van eerdere studies ingeschat en gebruikt in het computermodel.

Zowel de hersenen als de elektrode worden in het computermodel voorgesteld als een balk, dit om het model later eenvoudig te valideren in een proefopstelling, met andere woorden na te gaan of het model de realiteit benadert. Op vlak van materiaaleigenschappen wordt de elasticiteit, of stugheid, van  silicium, waaruit de elektrode vervaardigd is, in rekening gebracht. Bovendien wordt ook de visco-elasticiteit van de rattenhersenen gemodelleerd. Dit houdt in dat de hersenen zowel viskeus, zoals een stroperige vloeistof, als elastisch reageren wanneer ze vervormd worden.

Figuur 1 Doorsnede van het computermodel met links de kant van de neus en rechts de kant van de staart

In figuur 1 zie je een doorsnede van de hersenen met links de kant van de neus en rechts de kant van de staart. De vervorming van de elektrode onder invloed van de ademhaling is centraal weergegeven. De drukgolf, ten gevolge van de ademhaling, beïnvloedt de hersenen langs de kant van de staart. De tip verplaatst ongeveer 71 µm, terwijl de verplaatsing aan het bovenvlak 11 µm bedraagt. Naast de ademhaling worden ook de bloedcirculatie en de normale beweging van de rat gemodelleerd. Het computermodel toont echter aan dat de ademhaling de grootste invloed heeft op de verplaatsing van de elektrode in de rattenhersenen. Dit stemt in orde van grootte overeen met eerder onderzoek.

Fantoommodel als validatie

Om te valideren of het computermodel de realiteit correct weergeeft, werd een experiment uitgevoerd met een fantoomweefsel en een elektrode op schaal 10:1. Het fantoomweefsel bootst de hersenen van de rat na en bestaat eigenlijk uit een soort gel, vergelijkbaar met opgesteven gelatine. Aan de opgeschaalde elektrode, ge-3D-print in metaal, werd bovendien een zelfontworpen sensor bevestigd, die de microverplaatsingen van de elektrode kan meten.

Figuur 2 Experimentopstelling met links de signaalverwerking en rechts het fantoomweefsel en de motor

Figuur 2 toont aan de rechterkant het witte fantoomweefsel, met in het midden de elektrode, dat gegoten werd in een plexiglazen mal die de schedel voorstelt. Het imiteren van de ademhaling werd verwezenlijkt door gebruik te maken van een motor die een drukgolf aanbracht aan één van de zijden van het fantoomweefsel. Hiermee werd een vergelijkbare situatie nagebootst zoals in het computermodel. Er werd een verplaatsing van 300 µm tot 400 µm gemeten ter hoogte van het bovenoppervlak van het fantoomweefsel in het opgeschaald model. Op ware schaal komt dit neer op een verplaatsing van 30 µm tot 40 µm. Een aangepast computermodel, dat rekening houdt met de beperkingen van het experiment, geeft als resultaat een verplaatsing van 40 µm. Het opgestelde computermodel blijkt dus een goed proof-of-concept model te zijn om de verplaatsing van elektrodes in weefsels te voorspellen.

Van Vesalius tot elektrode

De thesis werd uitgevoerd in NeuroElectronics Research Flanders (NERF), een samenwerking tussen imec, KU Leuven en het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB), dat zich onder meer bezighoudt met het in kaart brengen en monitoren van rattenhersenen. Het computermodel zal in verder onderzoek gebruikt worden om de microverplaatsingen van materialen in rattenhersenen te voorspellen. Zo kan het ideale elektrodemateriaal geselecteerd worden. 

Had Vesalius ooit kunnen of durven dromen dat men 500 jaar later hersenen zou kunnen monitoren in datzelfde Leuven waar hij zijn onderzoek deed? Met haarfijne draadjes die we elektrodes noemen? En wie weet lopen we binnen 500 jaar zelf rond met geïmplanteerde elektrodes…