Zenuwcontact

Een dwarslaesiepatiënt die zijn been beweegt door zijn schouder op te trekken. Dat kan als biochips goed werken. Het onderzoek van promovenda Ciska Heida was daar op gericht.

`De kunst is om zenuwcellen zo op de elektroden te laten hechten dat er een specifiek elektrisch contact ontstaat', zegt elektrotechnisch ingenieur Ciska Heida, terwijl zij een foto toont van een elektrodenarray waarop kogelronde zenuwcellen als bolletjes helder oplichten. ``Als je de chips in kweekvloeistof legt, dan hechten de daarin zwevende zenuwcellen zich op willekeurige plaatsen op de chips, maar we willen juist dat de groepjes zenuwcellen specifiek op de elektroden terechtkomen, zodanig dat de groepjes onderling geen contact maken.''

Heida promoveerde afgelopen donderdag aan de Universiteit Twente. Met een handvol collega's werkte zij in de groep van dr.ir. Wim Rutten, in samenwerking met de Neuroregulatiegroep uit Leiden, aan een `neuro-elektronische probe'. Met dit instrumentje, dat een verbinding legt tussen een elektronisch circuit en het zenuwstelsel, willen zij bijvoorbeeld bij patiënten met een dwarslaesie de beenspieren met stroomstootjes weer kunnen aansturen.

Er zijn al neuro-elektronische protheses die werken door een array van microscopisch kleine elektroden in het intacte deel van de zenuwvezel te steken. Via elektrische stimulatie kan dan een beweging van verlamde ledematen worden verkregen, maar de juiste positionering binnen een zenuwvezel en de bewegingsgevoeligheid zijn vaak een probleem. Dat moet beter kunnen, denken ze in Twente. Heida: ``We willen de spieren heel selectief kunnen aansturen. Gradaties in het aanspannen van de spieren zijn heel belangrijk voor een natuurlijke beweging. Het voorkomt bovendien overbelasting van bepaalde spiergroepen.''

Heida onderzocht hoe zij zenuwcellen ertoe kan verleiden zich specifiek te hechten op verschillende elektroden zonder dat zij `kortsluiting' maken, waardoor de specificiteit verloren zou gaan. Dat lukte doordat de cellen in zich met kleine, lokaal aangelegde wisselstroomvelden naar de gewenste plek lieten dirigeren. De cellen bewegen naar het punt met de laagste veldsterkte.

Heida experimenteerde met een opstelling van vier goudelektroden, om de invloed van het elektrische veld op de levensvatbaarheid van de cellen te onderzoeken. Heida: ``De membraanspanning neemt toe als de cel in een elektrisch veld wordt gebracht. De celmembraan is een isolator die zich als een elektrische capaciteit gedraagt. Voor een capaciteit geldt dat hoe hoger de frequentie van de wisselstroom is, hoe beter het materiaal geleidt. Bij een lage frequentie neemt de membraanspanning zoveel toe dat er gaten in de membraan ontstaan en de cel kan knappen. Dan ben je de neuronen kwijt.''

Uit het experiment bleek dat neuronen hun verblijf in het elekrisch veld goed overleven, mits de top-topspanning van de wisselstroom niet hoger is dan 3 V en de frequentie boven de 100 kHz blijft. Heida stapte over naar een prototype met 61 elektroden die met standaard fotolithografische en etstechnieken werd vervaardigd. De array is zo ontworpen dat werkelektroden die contact moeten maken met het zenuwnetwerk, telkens precies tussen vier stuurelektroden liggen waartussen het elektrische veld wordt aangelegd om de cellen op hun plaats te krijgen. Zo slaagde Heida erin acht elektroden tegelijk te bedekken met groepjes zenuwcellen.

``Het prototype is nu nog een een glasplaatje van vijf bij vijf centimeter met als reactievaatjes een verhoogde ring erop waarbinnen de neuronen in een groeimedium kunnen gedijen. Die schakeling moet uiteindelijk natuurlijk veel kleiner worden en er moeten nog veel meer contacten met neuronen komen,'' zegt Heida. Pas als dat gelukt is zal de eerste neuro-elektronische probe worden geïmplanteerd bij een patiënt. Dan volgt wederom een spannend moment, want de op de array vastzittende zenuwcellen moeten dan aangroeien op het zenuwstelsel van de patiënt. De hoop is dat er een specifiek contact ontstaat dat een gedifferentieerde aansturing van signalen mogelijk maakt.

``De meest ideale prothese zou natuurlijk direct op de motorsignalen uit de hersenen reageren. Maar of dat ooit gaat lukken is de vraag. Het alternatief is de patiënt zijn bewegingen met een knoppenpaneel of een joystick te laten controleren. Maar misschien lukt het om alternatieve stuursignalen uit het lichaam van de patiënt op te pikken. Bijvoorbeeld als de patiënt zijn rechterschouder ophaalt dat dan zijn rechterbeen naar voren zwaait.''

Heida voerde haar experimenten uit met losgemaakte zenuwcellen uit de hersenschors van pasgeboren of foetale ratjes. ``Hoe jonger de zenuwcel, hoe beter het werkt'', zegt Heida. ``Aanvankelijk was het idee om motorneuronen te gebruiken, maar die zijn heel moeilijk in kweek te krijgen.''

stamcellen

De rattencellen zullen uiteindelijk vervangen moeten worden door menselijke zenuwcellen om de prothese transplanteerbaar te maken. Omdat jong weefsel zich het beste leent voor deze toepassing, denkt Heida aan embryonale stamcellen als bron voor deze neuronen. Heida: ``In de prothese moet verder een ideale omgeving voor de zenuwcellen gecreëerd worden. Er zullen daarom waarschijnlijk ook gliacellen, ondersteunende cellen, aan moeten worden toegevoegd.''

Als eerste toepassing denken de Twentse ingenieurs aan de ontwikkeling van de neuro-elektronische prothese voor een dwarslaesie. Maar in principe zal de prothese toepasbaar zijn in al die gevallen waarbij het uiteinde van de zenuwbaan nog intact is. ``Bijvoorbeeld in de hand'', zegt Heida, ``maar ook bij het herstel van schade aan de gehoorzenuwen of het oog. Dat is echter allemaal nog verre toekomst.''

Heida: ``Ik krijg soms mensen aan de lijn die vragen hoe ver de techniek al is gevorderd. Laatst bijvoorbeeld de vader van een zoontje met verlammingsverschijnselen. We moeten ze helaas teleurstellen; het werkt nog niet.''

Angst voor de ontwikkeling van een Terminator-achtige robot-mens-hybride heeft Heida niet. ``Er worden wel experimenten mee gedaan. Zo hebben onderzoekers onlangs een cursor aangesloten op een groepje zenuwcellen in kweek, waarna ze probeerden een patroon in de bewegingen van het pijltje op het scherm te ontdekken. Je kunt erin zien wat je wilt zien, maar veel stelt het niet voor'', constateert zij nuchter. ``Wie weet lukt het toch nog eens. Maar het is dan de vraag of je wel zo ver zou willen gaan.''

Op internet is een filmpje te zien van neuronen die zich in een elektrisch veld verzamelen:

http://www.sens.el.utwente.nl/research/neurcelleng/elcontainm.shtml