Hersennetwerken, aanvallen en epilepsiechirurgie
Een nieuw perspectief van het brein
De 21e eeuw is het tijdperk van netwerken. U kent waarschijnlijk veel voorbeelden van netwerken: het elektriciteitsnet, de kaart van weg- of spoorwegverbindingen of zelfs uw sociale contacten. We kunnen netwerken ook gebruiken om onze hersenen te beschrijven. Dit netwerk wordt opgebouwd met de connectes — synapsen genaamd — tussen neuronen, met meer dan honderd miljard neuronen en een triljoen synapsen in het menselijk brein is een dergelijke beschrijving niet mogelijk voor het hele brein. Daarom delen we de hersenen vaak op in verschillende gebieden, meestal enkele tientallen of honderden. Deze gebieden kunnen worden geïdentificeerd op basis van anatomie, een specifieke functie, of een specifiek connectiviteitsprofiel. Bepaalde gebieden zijn bijvoorbeeld betrokken bij het zicht (de visuele cortex) of taal (Broca-gebieden).
Om een netwerk te construeren moeten we vervolgens meten hoe de verschillende regio’s met elkaar reageren. In hersennetwerken worden meestal twee soorten interacties geregistreerd: fysieke interacties, wat betekent dat er een fysiek pad is dat de twee regio’s met elkaar verbindt, of functionele interacties, wat betekent dat de activiteit tussen de twee regio’s met elkaar in verband staat. Structurele verbindingen kunnen worden waargenomen met MRI (Magnetic Resonance Imaging) technieken, en functionele verbindingen met EEG (Electro-EncephaloGram), MEG (Magneto-EncephaloGram) of fMRI (functional MRI).
Hersennetwerken, net als andere soorten complexe netwerken, hebben bepaalde kenmerken. Een zeer relevante eigenschap in veel netwerken is de aanwezigheid van hubs: dit zijn regio’s die een centrale rol spelen in het netwerk. Deze zijn meestal zeer goed met elkaar verbonden, wat betekent dat ze zeer snel informatie kunnen doorgeven aan andere regio’s. In en spoorwegnetwerk is het knooppunt bijvoorbeeld het centrale station dat treinen (verbindingen) heeft naar alle andere grote stations. In een vriendschapsnetwerk is het de populaire persoon die veel (belangrijke) mensen kent. Hetzelfde begrip is van toepassing op de hersenen, waar hubs zeer belangrijk zijn voor de hersenfunctie.
We kunnen de netwerkbeschrijving van de hersenen gebruiken om de eigenschappen te bestuderen. Als de eigenschappen van gezonde hersenen goed bekend zijn, kunnen we kijken naar hoe verschillende hersenaandoeningen het hersennetwerk beïnvloeden. Misschien verdwijnen sommige wegen, of misschien verliezen sommige knooppunten hun belang. Deze kennis kunnen we gebruiken om hersenaandoeningen beter te begrijpen en uiteindelijk ook om ze beter te behandelen.
Figuur overgenomen uit CJ Stam, Nature Reviews Neuroscience, 2014 met toestemming van de auteur.
Epilepsie en epilepsiechirurgie: de epileptogene zone
Epilepsie is een veel voorkomende neurologische aandoening die frequente aanvallen veroorzaakt: uitbarstingen van elektrische activiteit in de hersenen die de normale functie verstoren. Aanvallen kunnen voorkomen in verschillende vormen, en het herhaaldelijk optreden van invaliderende aanvallen kan een grote last veroorzaken op de kwaliteit van leven. Er is geen eenduidige oorzaak voor epilepsie. Aanvallen kunnen bijvoorbeeld ontstaan als gevolg van een hersentumor, structurele afwijkingen aan de hersenen, of een chemische onevenwichtigheid.
Aanvallen worden in eerste instantie behandeld met anti-epileptica, een medicijn. Bij ongeveer een derde van de mensen met epilepsie blijken medicijnen echter niet effectief genoeg te zijn om de aanvallen te stoppen. Men spreekt dan van refractaire epilepsie. Maar ook dan zijn er nog mogelijkheden, zoals transcraniële stimulatie om aanvallen te proberen voorkomen of epilepsiechirurgie.
Epilepsiechirurgie is momenteel de behandeling bij uitstek voor mensen met refractaire epilepsie. Het doel is eenvoudig: het verwijderen van een minimale hoeveelheid hersenweefsel die nodig is om de aanvallen te stoppen. Dit staat bekend als de Epileptogene Zone (EZ). Er gaat echter een dieper probleem schuil achter deze definitie: of de EZ is gevonden of niet – of de operatie succesvol is of niet – wordt pas duidelijk na de operatie. Alvorens de opereratie uit te voeren, wil men er dus heel zeker van zijn dat de patiënt er baat bij zal hebben. Daartoe wordt vóór de operatie een groot aantal onderzoeken uitgevoerd. Deze omvatten functionele en structurele Magnetic Resonance Imaging (MRI), ElectroEncephalogram scans (EEG) en Magnetoencephalogram scans (MEG). Deze tests zijn niet invasief, en vaak zijn ze voldoende om te bepalen of de patiënt wel of niet geopereerd moet worden. Als de informatie tegenstrijdig of niet voldoende is, wordt een invasieve test uitgevoerd om de hersenactiviteit op de relevante hersengebieden rechtstreeks te meten door elektroden in het hersenweefsel te plaatsen.
Al deze tests zijn er op gericht om te achterhalen waar de aanvallen beginnen — bekend als de Seizure Onset Zone (SOZ) en hoe ze zich daarna voortplanten. Om de operatie door te laten gaan zijn er een aantal voorwaarden. Ten eerste moeten de pre-operatieve tests erin slagen een hypothese voor de SOZ vast te stellen. Ten tweede moet deze gelokaliseerd zijn in een relatief klein hersengebied. Ten derde moet dit gebied operabel zijn: niet alle regio’s in de hersenen kunnen veilig worden verwijderd. Als aan al deze voorwaarden is voldaan, stelt het klinische team een chirurgisch plan op om de resectie uit te voeren.
Ondanks alle zorgvuldige planning voorafgaand aan de operatie, blijft ongeveer een derde van de patiënten die een epilepsieoperatie ondergaan daarna aanvallen houden (hoewel vaak met een verminderde aanvalslast, dat wil zeggen, met minder of minder ernstige aanvallen). Momenteel werken verschillende onderzoeksteams over de hele wereld — waaronder wij in het Amsterdam UMC — aan het verbeteren van dit cijfer. Dit onderzoek maakt gebruik van de meest recente ontwikkelingen op het gebied van netwerktheorie en computer simulations.