Het magnetisme van de hersenen

Elektro-encefalografie (EEG) wordt al jaren klinisch toegepast, maar over het uiterst zwakke magnetische veld in de hersenen was tot nog toe vrijwel niets bekend.

Het lijkt net een bedstede, maar dan wel een heel speciale, een soort grote blikken trommel, die iedere magnetische straling van buitenaf tegenhoudt. Daar binnen staat een grenenhouten bank met een lichtblauwe deken, smaakvol, zoals ieder theekopje en elke deurkruk in Finland smaakvol ontworpen is. Op de bank ligt in het schemerdonker een patient, of liever gezegd een student van de Universiteit van Helsinki als vrijwillig proefkonijn. Boven zijn hoofd hangt een groot blauw vat met vloeibaar helium, waarin ijzingwekkend lage temperaturen heersen. In dit vat zit een uiterst gevoelige magnetometer ingebouwd, die nu gericht staat op het schedeldak van de proefpersoon die op zijn zij ligt, met een bandje onder de kin. De machine raakt het hoofd zelf net niet aan.

' Je hoeft hier alleen maar een half uurtje rustig te blijven liggen, zegt prof.dr. Olli V. Lounasmaa van het Lage Temperaturen Laboratorium in Helsinki. ' Gevaarlijk is het niet. De machine registreert het magnetisch veld dat de hersenen van patient zelf uitzenden, je vangt het alleen maar op.'

Elektro-encefalografie (EEG) is in het hersenonderzoek al jaren gebruikelijk, maar magneto-encefalografie (MEG) is betrekkelijk nieuw. In de hersenen dragen elektrische stroompjes informatie over van de ene zenuwcel naar de andere. Als vele buurcellen tegelijkertijd actief worden, ontstaat een zwak magnetisch veld, dat men buiten de schedel kan meten.

Lichtflits

Men werkt aan een driedimensionale hersenkaart van het 'normale' magnetisch veld, waarbij tot nog toe weinig verschillen tussen proefpersonen zijn ontdekt. Verder heeft men zich speciaal toegelegd op experimenten met licht en geluid. Men laat de proefpersoon een lichtflits zien of bepaalde tonen horen. Enkele tienden van milliseconden na zo'n licht- of geluidprikkel wordt dan in de hersenen een snel veranderend magnetisch veld waargenomen. Door de veldsterkte te meten slaagt men er voor het eerst in om op zeer nauwkeurige wijze, vele malen nauwkeuriger dan met een EEG, vast te stellen in welk hersengebiedje de respons op een bepaalde zenuwprikkel begint. Hoe hoger de toon die men laat horen, hoe dieper de oorsprong van het magnetisch veld binnen de hersenschors blijkt te liggen.

Ruis

De buitengewoon gevoelige magnetometer luistert naar de naam SQUID ofwel Superconducting Quantum Interference Device. Zo'n instrument bestaat al sinds de jaren 60 en wordt kant en klaar door IBM in de VS geleverd.

De Finnen maken er sinds negen jaar gebruik van voor hun hersenonderzoek. In het verleden was een handicap, dat telkens maar een heel klein gebiedje kon worden gemeten. en op elk plekje moest het signaal 20 tot 200 maal worden herhaald om tot een enigszins betrouwbaar gemiddelde te komen, want de 'ruis' op de achtergrond is hoog. Het aardmagnetisch veld bijvoorbeeld is een miljoen maal zo sterk als het magnetisch veld in het menselijk hart, en de veldsterkte in het hart is weer vijfhonderd maal groter dan die in de hersenen. En dan is het aardmagnetisch veld nog niet eens het grootste probleem, want dat is een constante factor. Andere magnetische velden in de omgeving, zoals een passerende trein of vrachtwagen of een lift, die binnen het gebouw op en neer gaat, schoppen de proeven nog veel meer in de war.

' Inmiddels zijn we erin geslaagd om meerdere SQUIDs in een machine te combineren, ' zegt prof. Lounasmaa. ' Eerst vier, toen zeven, op dit moment al 24, waarmee we een stuk schedeldak met een doorsnede van zo'n 12 centimeter bestrijken. En over twee tot drie jaar hopen we zelfs met 100 SQUIDs de hele schedel ineens te omvatten. Het is wel schipperen op de vierkante millimeter om dat allemaal in te bouwen, de maten van de schedel liggen nu eenmaal min of meer vast.'

Selektief luisteren

In eerste instantie brengen de onderzoekers in Helsinki in kaart welke gebieden in de hersenschors gevoelig zijn voor licht of geluid. Het onderzoek naar meer subtiele, geheimzinniger hersenfuncties, zoals aandacht of geheugen, staat nog in de kinderschoenen.

De eerste spraakproeven in Helsinki waren gericht op selektief luisteren. Met tussepozen van twee seconden liet men de proefpersonen Finse woorden van vijf letters horen die steeds met een k begonnen en eindigden op een klinker. Voor de helft ging het om namen van planten en dieren, voor de rest om willekeurige woorden. In het ene geval kreeg de proefpersoon de opdracht niet te luisteren, maar zich te concentreren op het lezen van een boek, in het andere geval moest hij uit de woordenvloed het aantal plant- en diernamen tellen. Het resultaat was frappant. Bij scherp luisteren bleek het magnetisch veld in het auditief centrum in de hersenschors veel sterker te zijn, maar wel op dezelfde plaats als wanneer men zijn aandacht bij het boek had.

In andere proeven, waarbij men mensen reeksen tonen met zo nu en dan een dissonant liet horen, bleken die laatste een veel heftiger reactie op te roepen, ook als ze zachter werden gespeeld dan de overige tonen.

Hersenafwijkingen

Door de opkomst van de multisquid is de belangstelling voor dit type onderzoek snel toegenomen. Er zijn nu wereldwijd zo'n 40 laboratoria mee bezig. Naast het fundamentele onderzoek naar de normale werking van de hersenen hoopt men op den duur de neuromagnetometer ook in te schakelen om hersenafwijkingen op te sporen. Zulk onderzoek gebeurt niet in Helsinki, maar wel door collega's in Los Angeles en in Rome, waarmee de Finnen nauw samenwerken. Sommige vormen van epilepsie worden veroorzaakt door een bepaalde zone van beschadigd zenuwweefsel, die men langs operatieve weg kan verwijderen. Een zeer nauwkeurige lokalisatie van het betrokken weefsel is daarbij van groot belang. Magnetoencephalografie leent zich daar in principe voor, ook los van het moment van de epileptische aanval. Ander onderzoek, aan de Universiteit van Munster in West-Duitsland, richt zich op het opsporen van een raadselachtige gehoorafwijking, waarbij men voortdurend bromgeluiden hoort, met behulp van de magnetometer.

Sneller

De nieuwe methode geeft geen rechtstreekse anatomische informatie en concurreert dus niet met Rontgenfoto's of kernspin magnetische resonantie (NMR). Met die laatste methoden kan men echt onder het schedeldak kijken, maar het duurt lang (verscheidene minuten tot een half uur) voordat men de beelden in handen heeft, hetgeen de methoden onbruikbaar maakt voor fundamenteel onderzoek naar de werking van de hersenen. Een PET scan werkt sneller, maar vergt och ook altijd nog een veertigtal seconden om de informatie te verwerken - bij magneto-encephalografie kan men de reacties van de hersenen binnen milliseconden volgen. En weer een andere methode, het meten van de stroming van de hersenvloeistof, is tamelijk grof.

Het apparaat zelf is niet duur, maar de speciale magnetisch verzegelde kamer waarin de metingen plaatsvinden, kost vele miljoenen. Om nauwkeurige metingen te doen moet iedere ruis worden uitgebannen. Vullingen in tanden of kiezen van de proefpersoon zelf zijn geen probleem, omdat die niet magnetisch zijn. Maar proefpersonen met een pacemaker zijn hier niet welkom. En voor het meten van de relatief sterke magnetische signalen die het menselijk hart zelf uitzendt, is dit apparaat veel te gevoelig.

' Het is heel goed mogelijk dat binnen tien jaar in de kliniek niet alleen een EEG, maar ook een MEG (Magneto-Encephalogram) wordt gemaakt, ' zegt Lounasmaa. ' Kanttekening is wel, dat het werken met vloeibaar helium niet eenvoudig is. Op het Lage Temperaturen Laboratorium, waar veel fysici rondlopen, is het dagelijkse praktijk, maar in een ziekenhuis ligt dat misschien moeilijker.'

Wereldrecord

Het Lage Temperaturen Laboratorium is een onafhankelijke instantie binnen de Universiteit van Helsinki. Naast de neuromagnetische studies verricht men veel fundamenteel onderzoek op het gebied van de ultralage temperatuur fysica, ondermeer naar de atoomeigenschappen van Helium-3 en Helium-4. In 1979 werkte men nog bij 30 graden Kelvin, ofwel minus 243 graden Celsius, op zich al een ijzige temperatuur. Tien jaar later werd met een spiksplinternieuw en nog helemaal lekdicht apparaat onder een gelukkige samenloop van omstandigheden een nieuw dieptepunt bereikt. Op zeker moment was, zo bleek pas twee weken later na afloop van het experiment, de temperatuur gedaald tot 2 nanoKelvin oftewel 0,000000002 Kelvin. Dichter bij het absolute nulpunt kan men moeilijk komen, want hoe goed men ook vacuum zuigt en hoe lekdicht het apparaat ook is, er blijven altijd wel enkele molekulen aanwezig die voor een zekere warmtebeweging zorgen. Dus voorlopig, zeggen de Finnen vergenoegd, staat dit wereldrecord nog wel even op naam van Helsinki.

Squid

Squid is een acronym voor Superconducting Quantum Interference Device. Deze apparaatjes zijn al sinds de jaren zestig op de markt. Ze maken gebruik van het Josephson-effect, dat optreedt als twee supergeleiders van elkaar worden gescheiden door een zeer dun laagje isolerend materiaal van hooguit enkele nanometers dik (een nanometer is een miljoenste millimeter). Voor een zeer zwakke stroom gaat deze barriere van isolatiemateriaal, de Josephson- junction, zelf als supergeleider functioneren. Als de stroom in de ene supergeleider sterker is dan die in de andere, zal er een 'alternatief' stroompje door het isolatiemateriaal gaan lopen.

In een SQUID wordt een stroompje geleid door een metalen ring, die supergeleidend is gemaakt door hem te koelen tot enkele graden boven het absolute nulpunt. Bij zulke lage temperaturen verliest het metaal zijn elektrische weerstand. Men meet het spanningsverschil tussen de twee uiteinden van dit circuit.

Binnen het circuit van supergeleidend metaal zijn twee kleine weerstandjes van niet-geleidend materiaal opgenomen, die functioneren als 'Josephson-junction'. De stroom kan nu door het circuit twee alternatieve routes kiezen. De verhouding tussen deze beide alternatieve stroompjes zal afhangen van het magnetisch veld in de omgeving. De aanwezigheid van een zeer zwak magnetisch veld, zoals in de hersenen, valt met deze proefopstelling nauwkeurig te meten.