Op zoek naar het geheim van bewustzijn

Binnen de Coma Science Group van prof. Steven Laureys werken medici en ingenieurs nauw samen. beeld Jean Pierre Geussens
3

Bij de internationale Coma Science Group onder leiding van de Vlaamse hoogleraar Steven Laureys werken niet alleen medici en paramedici, maar ook wis- en natuurkundigen. Gezamenlijk proberen ze het mysterie van het bewustzijn te ontrafelen, met geavanceerde technologieën. „De dialoog tussen clinici en ingenieurs wordt steeds belangrijker.”

Al twintig jaar probeert dr. Steven Laureys in het universitair ziekenhuis van Luik te ontdekken hoe bewustzijn ontstaat. Vooral zijn onderzoek naar de hersenfunctie bij post-comateuze patiënten met een sterk verlaagd bewustzijn of het locked-insyndroom bezorgde hem wereldwijd faam.

De Vlaamse hoogleraar typeert bewustzijn als „een van de grootste mysteries voor de mensheid”, waar ook de moderne wetenschap nog steeds het antwoord niet op heeft. „Niemand kent de neuronale code van bewustzijn. Het is een onderwerp met heel veel kanten. Je kunt het puur technisch beschouwen, maar ook religie en filosofie hebben er een visie op. Als Coma Science Group proberen we door objectieve metingen met moderne apparatuur onze hypothesen te testen. We doen niet alleen fundamenteel onderzoek, maar houden ons ook bezig met diagnostiek en behandeling.”

Het internationale team telt zo’n dertig medewerkers: neurologen, neuroradiologen, neuropsychologen, paramedici, natuurkundigen en wiskundigen. „Medici en nerds”, vat Laureys lachend samen. „Die samenwerking blijft een uitdaging, want het zijn twee totaal verschillende culturen. De nerds maken ons wegwijs in de nieuwste technologieën voor het meten van hersenactiviteit en de juiste beoordeling van de signalen. De dialoog tussen clinici en ingenieurs wordt steeds belangrijker. Op het snijvlak van beide velden vindt de grote vooruitgang plaats, zeker in het hersenonderzoek. Bij ons zien ook de ingenieurs de patiënten, en proberen de clinici inzicht te krijgen in de statistische en wiskundige principes achter de data die de moderne diagnostische apparatuur ons aanlevert.”

Rolls-Royce

Dankzij de opgebouwde naam is de Coma Science Group in staat de meeste geavanceerde technologie voor de verkenning van het brein aan te schaffen. „We kunnen daardoor steeds nauwkeuriger de activiteit in een bepaald hersengebied meten en delen van het brein in beeld brengen.”

Het begon met de elektro-encefalografie, die het mogelijk maakte de elektrische hersenactiviteit te meten. (zie ”De vondst van Hans Berger”). „We werken hier met de Rolls-Royce op dit gebied: een eeg-apparaat met ruim 250 detectoren. Meer kun je er op een hoofd niet kwijt. Naast de elektro-encefalografie kregen we de positronemissietomografie. De PET-scanner maakt afbeeldingen van de hersenen na het inspuiten van kleine hoeveelheden radioactief gemerkte glucose. De suikeropname weerspiegelt de mate van hersenactiviteit. Met de MRI-scanner kunnen we foto’s maken van de grijze stof en de witte stof in de hersenen.

Een volgende stap was transcraniële magnetische stimulatie. Daardoor kun je een gebiedje in de hersenen gericht activeren of de werking ervan ombuigen. In samenwerking met een team in Italië hebben we een techniek opgezet die transcraniële magnetische stimulatie combineert met eeg-onderzoek. We doen dit onderzoek onder meer bij comapatiënten en mensen met het niet-responsief waaksyndroom. Vegetatief, zeiden we vroeger. Door die combinatie van de moderne technologieën kunnen we steeds beter de mate van bewustzijn bepalen en een voorspelling doen over de prognose van mensen met hersenletsel.”

Hersenstimulatie

Ondanks de geboekte vooruitgang waarschuwt Laureys voor irreële verwachtingen. „De ontdekking dat hersenactiviteit wordt veroorzaakt door elektriciteit gaf in de 19e eeuw een enorme euforie. Intussen weten we dat de werking van het brein oneindig veel complexer is dan we dachten. Als het gaat om bewustzijn, weten we niet eens wat we niet weten. Elektriciteit speelt daarin een belangrijke rol, maar bepaalt niet alles. Patiënten kunnen op een eeg een flatline hebben zonder dat ze hersendood zijn, en omgekeerd. Het is ook heel moeilijk om vast te stellen waar een door een eeg gemeten activiteit precies vandaan komt. Er is nog geen machine die kan vaststellen wat er elke milliseconde gebeurt in die duizenden miljarden hersenconnecties. We moeten ons behelpen met verschillende meetmethoden, die een indirect beeld van de werkelijkheid geven.”

Een veelbelovende ontwikkeling is voor de beroemde Belgische neuroloog de hersenstimulatie door middel van transcranial Direct Current Stimulation (tDCS, zie ”Hersenstimulatie zonder schedelboring”). Onderzoekers van de Coma Science Group pasten deze behandeling toe bij meer dan honderd proefpersonen met minimaal bewustzijn door ernstig hersenletsel. Ze verkeerden niet meer in coma, maar vertoonden geen enkele reactie op prikkels. Bij 43 procent van deze patiënten trad door de toepassing van tDCS een tijdelijke verbetering op van de cognitieve en motorische vaardigheden. Binnen enkele uren na de behandeling zakten alle patiënten weer terug in hun oude staat van bewustzijn.

Dubbelblind onderzoek

In tegenstelling tot transcraniële magnetische stimulatie is transcranial Direct Current Stimulation een vrij oude en ook simpele techniek. Aanvankelijk werd gesuggereerd dat tDCS bij zo ongeveer elke hersenaandoening zou werken. Daarna sloeg de slinger door naar de andere kant. „Nu verschijnen er kritische artikelen van onderzoekers die onvoldoende kritisch zijn op hun kritische kijk”, constateert Laureys.

„We hebben door dubbelblind onderzoek –de helft kreeg pseudostimulatie en de andere helft echte stimulatie– het positieve effect van tDCS bij een deel van onze patiënten aangetoond. Ze waren na de stimulatie bijvoorbeeld in staat om te reageren op een simpel bevel. Het is geen miraculeuze behandeling, maar we gaan er zeker meer van horen.”

De onderzoeksgroep stimuleerde via de nauwelijks belastende techniek verschillende gebieden in het brein. „De linker prefrontale hersenkwabstimulatie gedurende twintig minuten per dag blijkt het efficiëntst te zijn. De eenvoud en de relatief lage kostprijs maken deze behandeling geschikt voor een brede toepassing. We denken dat patiënten na coma hierdoor sneller revalideren. Hoe het effect van tDCS te verklaren is, weten we niet precies, maar dat was ook bij aspirine lange tijd het geval. Het is al moeilijk om de werking van elektrische stimulatie in een gezond brein te onderzoeken. Wij hebben te maken met mensen met zwaar beschadigde hersenen, bij wie de elektrische stroom heel anders loopt dan bij een gezonde mens.”

Diepe hersenstimulatie

Het implanteren van een elektrode in het brein, zogenaamde diepe hersenstimulatie (deep brain stimulation), leverde bij postcomateuze patiënten met minimaal bewustzijn tot nu toe meer ellende dan voordeel op. Op termijn kan de techniek voor deze doelgroep wellicht wel van betekenis zijn, verwacht Laureys. „Collega Nicholas Schiff uit New York, met wie wij nauw samenwerken, doet op dit terrein veel onderzoek, onder meer bij primaten. Op basis van de opgedane kennis heeft hij bij een aantal patiënten een elektrode ingebracht. Bij een patiënt met minimaal bewustzijn trad daarna een significante verbetering op. Die kon weer praten en eten. Maar deep brain stimulation is geen routine-ingreep. De kostprijs is hoog en er kleven nogal wat risico’s aan. Voorlopig concentreren wij ons op de niet-invasieve elektrische stimulatie.”

Daarnaast maakt de Coma Science Group gebruik van brain computer interfaces, een technologie waarbij hersensignalen worden gemeten en naar een computer doorgestuurd. „Zo kunnen we communiceren met mensen die voor het oog comateus lijken. We vragen hen om zich in te beelden dat ze aan het tennissen zijn. Als ze denken dat ze hun arm bewegen, licht in de hersenen het gebiedje op dat ook oplicht bij het daadwerkelijk bewegen van de arm. Dat kun je gebruiken als simpel communicatiemiddel. We waren het eerste team in de wereld dat op deze wijze in staat was vragen te stellen aan een patiënt die het etiket vegetatief had. Maar het blijft heel moeilijk om dit soort technologie te vertalen naar routinegebruik. Het lastige is dat een gouden standaard ontbreekt. Je kunt geen biopt van bewustzijn nemen, om je bevindingen te testen.”

Sciencefiction

Hersenstimulatie bij gezonde mensen, om functies zoals concentratie of geheugen te perfectioneren, beoordeelt de Vlaamse hoogleraar gematigd positief. „De extremen moeten we vermijden, maar je kunt zo’n ontwikkeling niet tegenhouden. Dat hoeft ook niet. Ik herinner me de paniekerige geluiden toen de microwave op de markt kwam. Nu heeft iedereen een magnetron.”

Een nog sprekender voorbeeld is voor Laureys de smartphone. „Ik denk dat die ons inderdaad slimmer heeft gemaakt. Ook ons sociale leven is er enorm door veranderd. Ik houd het niet voor onmogelijk dat we op termijn ons functioneren en welbevinden kunnen verbeteren door neurostimulatie. Wel moeten we op zowel wetenschappelijk als ethisch niveau goed blijven nadenken over mogelijke negatieve gevolgen ervan, en de positieve effecten niet overschatten. Het zou geweldig zijn als we de mens door elektrische stimulatie van de hersenen empathischer kunnen maken, om maar iets te noemen, maar tot nu toe is het bij sciencefiction gebleven.”

serie Onder stroom

Dit is het eerste deel van een serie over de toepassing van elektriciteit in de geneeskunde. Zaterdag 25 maart deel 2: pijnbestrijding met een batterij.

Biografie

Naam: prof. Steven Laureys

Leeftijd: 48 jaar

Specialisme: hoogleraar neurologie aan de universiteit van Luik; klinisch hoogleraar neurologie aan het universitair ziekenhuis Sart-Tilman van Luik; directeur van de Coma Science Group

De vondst van Hans Berger

In 1787 ontdekte de Italiaanse arts en anatoom Luigi Galvani door middel van experimenten met kikkers dat het zenuwstelsel elektrisch is. Zenuwcellen wekken elektrische signalen op en geven die vervolgens pijlsnel door. Het meten van de signalen geeft een beeld van de activiteit van de hersenen. Omgekeerd kan de hersenactiviteit worden beïnvloed door elektrische stimulatie van buitenaf.

Het was de Duitse psychiater Hans Berger die in 1929 door experimenten bij zoon Klaus ontdekte dat hij de elektrische activiteit van diens hersenen kon meten zonder de schedel te verwijderen. Simpelweg door de elektroden op het kaalgeschoren hoofd van Klaus te plakken. Met zijn elektro-encefalogram (eeg) haalde Berger de wereldpers. De techniek ging een belangrijke rol spelen bij het vaststellen van epilepsie. In de loop der jaren kreeg de elektro-encefalografie een steeds bredere functie, onder meer als onderzoeksmethode binnen de neurowetenschappen.

Hersenstimulatie zonder schedelboring

In tegenstelling tot diepe hersenstimulatie (deep brain stimulation), waarbij een elektrode in de hersenen wordt aangebracht, vraagt transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) niet om opening van de schedel. Bij tDCS krijgt de patiënt twee elektroden op het hoofd, een anode en een kathode. Daarmee wordt een zeer zwakke elektrische stroom door de hersenschors gezonden. De activatiedrempel van hersencellen (de impuls die nodig is om ze te laten ‘vuren’) kan zo worden verhoogd of verlaagd.

De behandeling wordt onder meer toegepast bij chronische depressiviteit, angststoornissen en oorsuizen. De Coma Science Group in Luik maakt er gebruik van om het bewustzijn van patiënten met een verlaagd bewustzijn door hersenletsel tijdelijk te activeren. Lopend onderzoek moet duidelijk maken wat het effect van tDCS is bij de ziekte van Parkinson, schizofrenie en afasie ten gevolge van een beroerte.

Een andere techniek, transcraniële magnetische stimulatie, werkt met een magnetisch veld en kan dieper liggende hersengebieden bereiken. Deze behandeling wordt onder meer toegepast bij extreme migraine en dwangstoornissen.