Wiskundig hersenmodel helpt epilepsiechirurgie

Een zo klein mogelijk hersengebied verwijderen om epilepsieaanvallen te stoppen. Dat is epilepsiechirurgie. Hierbij wordt eerst in kaart gebracht waar de waarschijnlijke epilepsiehaard zich bevindt. Als dat hersendeel misbaar is, wordt dat verwijderd. Heel vaak met succes. Maar soms haal je de haard weg en blijft de epilepsie. Nieuw onderzoek op basis van wiskundige modellen biedt verrassende inzichten en laat zien dat de hersenen anders werken dan gedacht. Subsidieverstrekker ZonMw heeft op 20 mei 2021 aan dit UMC Utrecht-onderzoek een parel toegekend.

Tussen de verschillende hersengebieden loopt een groot netwerk van zenuwen, met verschillende drukke ingewikkelde knooppunten. Neuroloog Frans Leijten legt uit dat epilepsie vaak op één plek in de hersenen ontstaat. “Feitelijk is die plek overprikkeld.” Bij sommige epilepsiepatiënten waarbij over chirurgie wordt gedacht, worden eerst elektroden op hun hersenen geplaatst, binnen de schedel, en volgt een week van EEG monitoring. “We meten de elektrische activiteit, maar we kunnen ook zelf stroompjes geven en verbindingen zien. We kunnen in kaart brengen waar de haard zich bevindt, hoe het netwerk eromheen eruit ziet en wat de functie van dat gebied is. Op basis daarvan maken we de inschatting of dat deel te missen is, waarna het chirurgisch wordt verwijderd. Dat werkt vaak, maar niet altijd. Het gekke is dat het soms geen enkel effect heeft.”

Outside the box
Samen met UMC fysicus Geert Jan Huiskamp en toegepaste wiskundigen Hil Meijer en Stephan van Gils van de Universiteit Twente, kwam Frans op het idee om wiskundige modellen te gebruiken die de hersenactiviteit van deze patiënten nabootsen. Echt out-of-the-box-onderzoek noemt Frans het. “We moesten eerst elkaars taal leren begrijpen. Wiskundigen zijn echt van de logica en structuur, terwijl ik meer van de praktijk ben.” Namens alle betrokken onderzoekers, ontving Frans Leijten de Parel 20 mei uit handen van ZonMw-directeur Veronique Timmermans tijdens de online-talkshow ‘Zicht op 15 jaar translationeel onderzoek. Leijten: “Ik vind het een geweldige eer dat voor ons onderzoek is gekozen.”

Hersennetwerk nabootsen
Uiteindelijk is het doel om het unieke hersennetwerk van een individuele patiënt in een wiskundig model 1-op-1 na te bootsen. “Dat model heeft bij ons dezelfde netwerkstructuur als we zien bij de betreffende patiënt. Daarin kun je op de laptop nabootsen wat er gebeurt bij een aanval. Spelen met dergelijke netwerken leverde al snel verrassende inzichten op. We zagen soms effecten die we klinisch nog niet begrijpen. Zo zagen we soms dat de epileptische activiteit plaatsvindt in hersengebied x, terwijl een ogenschijnlijk normaal hersengebied y het vuurtje aanstookt. Als je in zo’n geval hersengebied x verwijdert, kan de activiteit zich naar een ander deel verplaatsen. Dit zou kunnen verklaren waarom we soms bij het verwijderen van de ogenschijnlijke epilepsiehaard geen effect zien.”

Inzicht in de route
Iets anders dat de modellen snel duidelijk maakten, was dat niet alleen de epilepsiehaard belangrijk is, maar óók de structuur van verbindingen daaromheen. “De modellen laten zien langs welke route de epileptische activiteit zich verspreidt. Door die route te verbreken is het ook al mogelijk de epileptische aanvallen te verminderen.” In de huidige praktijk gebeurt dat soms ook al, maar die beslissing berust dan min of meer op een gok. Frans herinnert zich bijvoorbeeld een patiënt. “Deze man had meerdere zware aanvallen per dag. Hij was ten einde raad, er viel niet mee te leven. Toen wij in kaart brachten waar de haard zat, bleek dat middenin een essentieel taalgebied te zijn, iets wat je niet kunt missen. Maar we zagen ook dat veel verbindingen naar de hippocampus gingen. Het was een gok, maar voor deze man stond vast: er moet iets gebeuren. Dus we hebben de hippocampus verwijderd. Tot onze verrassing is deze man sinds de operatie aanvalsvrij.”

Liever geen gok
Zo’n risicovolle operatie wil je uiteraard liever niet op basis van een gok doen. “Met dit wiskundig model is bij een patiënt na te bootsen waar de epilepsie ontstaat en hoe het zich verspreidt. En dat is niet altijd zichtbaar voor het oog. Het maakt ook duidelijk dat de echte haard soms niet te verwijderen is, maar dat de epilepsie is in te perken door een of meerdere verbindingen weg te halen. Het mooie is, dat je in het model straks kunt testen op de computer wat er gebeurt bij verwijdering van een hersendeel of verbinding. Zo kun je eerst uitvogelen wat voor deze patiënt het beste werkt, voordat je daadwerkelijk gaat snijden. We krijgen zo veel meer begrip en grip.”

Dementie
De onderzoekers werken nog aan methoden om de wiskundige modellen te verbeteren en praktisch bruikbaar te maken. “Het grootste dilemma is nu dat het veel tijd kost om het netwerk van een individu in kaart te brengen. Niet alle patiënten ondergaan een langdurig onderzoek met elektroden op de hersenen. Je wil de methode eigenlijk gebruiken tijdens operatie wanneer alles toegankelijk is, maar dan heb je geen uren de tijd voor metingen en ingewikkelde berekeningen. Snelheid is een van dingen waar we nog aan werken. Op termijn zijn aangepaste versies van deze wiskundige modellen ook in te zetten bij andere ziekten, zoals dementie bijvoorbeeld. Ik verwacht daar veel van.”

Over ZonMw-parel
Vooruitgang in de zorg vraagt onderzoek en ontwikkeling. ZonMw stimuleert en financiert gezondheidsonderzoek, zorginnovatie en het gebruik van ontwikkelde kennis. Opdrachtgevers van ZonMw zijn het ministerie van VWS en NWO. De Parel is een prijs die enkele malen per jaar wordt uitgereikt aan ZonMw-projecten die als voorbeeld en inspiratie kunnen gelden voor de projecten die subsidie ontvangen van ZonMw.

• Meer informatie: ZonMw-parelpagina
• Bekijk Parelfilm (6 min.) op YouTube