Hersenen onder controle

Aan zijn hevige spasmen komt plotsklaps een eind wanneer de Parkinsonpatiënt op een knopje van zijn afstandbediening drukt. De man heeft zojuist zijn neurostimulator geactiveerd, een apparaatje ter grootte van een mobiele telefoon dat in zijn borstkas geïmplanteerd zit. Via een kabeltje zendt het elektrische pulsjes naar elektrodes in bepaalde gebiedjes in de hersenen die abnormale activiteit vertonen. De neurostimulator onderdrukt deze hersengebiedjes.

“Het is geweldig om te zien hoe goed de techniek bij deze man werkt”, zegt elektrotechnicus ir. Marijn van Dongen die een filmpje van deze ogenschijnlijk ‘miraculeuze’ genezing op zijn computer toont. “Elektrische stromen in ons lichaam bepalen voor een groot deel hoe wij functioneren”, vervolgt de promovendus van de afdeling micro-elektronica (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica). “Door daar op in te spelen kunnen heel lokaal tal van hersenaandoeningen, zoals Parkinson, tinnitus en epileptische aanvallen aangepakt worden.”

“Maar”, voegt Van Dongen na een korte stilte toe, “tegelijkertijd zijn deze technieken toch ook wel echt middeleeuws.”

De elektrische kabels die door de nek naar de hersenen lopen, kunnen breken en voor infecties zorgen. Ook zorgen ze voor littekenweefsel in de nek waardoor het voor de patiënt pijnlijk is om zijn hoofd te bewegen.

Maar het zijn niet zozeer deze martelgangen waar Van Dongen op doelt met zijn opmerking. ‘Middeleeuws’ is volgens hem vooral het ontwerp van de stimulator. Het huidige ontwerp staat verdere miniaturisering in de weg. Om het gedoe met kabels te voorkomen moet het ontwerp op de schop.

Een compleet nieuw ontwerp van het implantaat is waar Van Dongen met talloze collega’s aan werkt binnen het onderzoeksprogramma Smart Implantable Neurostimulators (Sins). Het doel is om binnen tien jaar een neurostimulator gereed te hebben die onder de hersenpan geplaatst kan worden; een twee millimeter dik apparaatje van twee vierkante centimeter met daarin ook de batterij en antenne.

Het onderzoeksprogramma werd in 2008 gestart toen neurochirurg prof. Dirk De Ridder en neurowetenschapper Eddy van der Velden van het Universitair Ziekenhuis Antwerpen in contact kwamen met dr. Wouter Serdijn (afdeling micro-elektronica, EWI). Serdijn is gespecialiseerd in het ontwerpen van elektronische circuits voor medische implantaten.

De twee neurowetenschappers, die vooral werken met patiënten die lijden aan tinnitus, vroegen aan Serdijn of hij voor hen kleinere en slimmere stimulatoren kon maken. “Die stimulatoren zouden ook in staat moeten zijn om zelf te detecteren wanneer ze pulsjes moeten genereren door de signalen in de hersenen te analyseren, net zoals een pacemaker doet bij het hart”, vertelt Serdijn, die vanuit de TU programmaleider is van Sins.

Ook moeten de patronen van de pulsjes instelbaar zijn en natuurlijker van vorm; niet hoekig zoals nu. De huidige pulsjesstructuren lijken op een reeks kantelen van een kasteel. Doordat dat voor de hersenen zo onnatuurlijk is slaagt de neurostimulator er vaak niet in om effectief hersengebiedjes te onderdrukken of terug in het gareel te krijgen. Hierdoor werkt de techniek bij de helft van de tinnitus-patiënten niet.

Sardientjes

Op zijn bureau heeft Van Dongen een neurostimulator liggen; hetzelfde type apparaat als de man van het filmpje in zijn lijf heeft. Het bovenste deel van het frame van titanium heeft hij opengedraaid, als een blik sardientjes. “Moet je eens kijken”, zucht hij. “Een grote batterij, veel losse componenten op een printplaatje en grote condensatoren.”

Van Dongen wil alle losse componenten integreren in een chip en de ruimte vretende condensatoren verwijderen.

De condensatoren zorgen ervoor dat de positieve en negatieve stromen aan elkaar gelijk blijven. En dat is niet onbelangrijk: alle elektronen die het weefsel in gestuurd worden moeten er even later ook weer aan ontrokken worden, anders ontstaan er allerlei chemische reacties (elektrolysereacties) bij de elektrodes in de hersenen.

Het ontbreken van de condensatoren wordt in het nieuwe ontwerp van de Delftenaren ondervangen door elektronische schakelingen die de hoeveelheid lading bijhouden die de hersenen in- en uitgaat.

Het prototype van het apparaat dat in de toekomst in de hersenpan geplaatst moet worden, hebben de onderzoekers al gereed. Het is nog wat groter dan de huidige stimulatoren, maar zal de komende jaren verder verkleind worden.

De Delftenaren hebben het prototype onlangs getest. “Het was een eerste test om te zien of onze neurostimulator überhaupt een geschikte neurale respons teweeg zou brengen”, zegt Van Dongen. Dat bleek het geval.

Neurowetenschappers De Ridder en Van der Velden waren zelf de proefpersonen. Voor de gelegenheid hadden ze ieder tijdelijk elektroden in hun hersenen laten implanteren. Via een app op de iPhone konden ze de stimulator aansturen. Door middel van elektro-encefalografie maten de onderzoekers de respons.

De grote uitdaging is om de neurostimulator te laten luisteren naar de kakofonie in de hersenen en hem heel gericht te laten reageren met sterkere of minder sterke pulsjes al naar gelang de noodzaak, net zoals een pacemaker doet voor het hart. ‘Closed loop’ noemen de onderzoekers dat. Bij een pacemaker is het nog relatief simpel. Dat apparaat houdt slechts één golf in de gaten; die van de hartslag. De elektrodes in de hersenen hebben daarentegen met duizenden neuronen te maken.

Medici hopen dat het door middel van closed loop mogelijk wordt om de hersenen (en daardoor de afwijkingen ervan) beter te begrijpen, waardoor betere therapieën ontwikkeld kunnen worden.

“We werken daarom nu aan sensorelektronica die inzoomt op bepaalde frequentiegebieden waar zich de problemen voordoen”, vertelt ir. Senad Hiseni, die ook als promovendus in de groep van Serdijn werkt. “Dat heeft meerdere voordelen. Neem tinnitus, dat wordt veroorzaakt door afwijkende activiteit in de auditieve cortex, het gedeelte van de grote hersenen waar geluid wordt waargenomen. Tinnitus ontstaat niet altijd op dezelfde plaats en de bron kan zelfs van plaats veranderen. Met een closed loop-systeem kan de stimulator die verandering in de gaten houden en alleen daar waar nodig stimuleren. Tinnitus kan daardoor efficiënter bestreden worden, en het bespaart ook een hoop energie waardoor de batterij langer meegaat.”

Het nieuwe ontwerp is nog lang niet closed loop en ook nog niet bepaald klein. Maar flexibel is het al wel. “Dankzij het nieuwe ontwerp zijn we in staat om de pulsjes iedere vorm te geven die we maar willen”, zegt Van Dongen. “De schakelingen zorgen voor het balanceren van de lading. We zijn hierdoor niet meer gebonden aan hoekige pulsjes. We zouden bij wijze van spreken muziek van de Rolling Stones op de hersenen kunnen afvuren.” Serdijn, lachend: “AC/DC lijkt me meer gepast.”

Dit artikel verschijnt deze week ook in Delft Integraal.

Dat voorspelt het Researchcentrum voor Onderwijs en Arbeidsmarkt (ROA). Volgens het Platform Bèta Techniek zal de arbeidsmarkt daarna weer aantrekken.

Perspectieven
Vooral universitair geschoolde bèta’s zullen moeilijker een baan vinden, schreef het ROA in mei. Het centrum van de Universiteit Maastricht onderzoekt elke twee jaar de arbeidsmarktperspectieven van recent afgestudeerden. Op vraag van het Platform Bèta
Techniek nam ze specifiek de positie van bèta-technici onder de loep. Het ROA voorspelt een overschot van 2700 hbo-technici en 8300 universitair geschoolde bèta’s tot 2014.

Crisis
Dat komt doordat meer studenten een technische opleiding volgen en de vraag naar nieuw personeel door de economische crisis juist afneemt, zegt Frank Cörvers, hoofd onderzoek Arbeidsdynamiek van het ROA. “Dat betekent niet dat deze mensen per se werkloos worden, zij kunnen bijvoorbeeld ook in een aanverwant beroep of onder hun niveau gaan werken.”

Minder vergrijzing
Vooral de universitair geschoolde technici gaan wat van de crisis merken. Doordat deze sector minder last heeft van vergrijzing, komen er minder arbeidsplaatsen vrij en zijn pas afgestudeerden dus sterker afhankelijk van werkgelegenheidsgroei. Alleen voor studenten aan economische en juridische wo-opleidingen ziet de toekomst er nog ongunstiger uit.

Informatica
Voor negen van de tien universitaire bèta’s is het arbeidsmarktperspectief voor de komende jaren matig of slecht, becijferde het ROA. Vooral wo-afgestudeerden civiele techniek, informatica en bestuurlijke informatiekunde krijgen het moeilijk, net als hbo-studenten informatica en bouwkunde. Voor hbo’ers in de elektrotechniek en chemische technologie ziet de arbeidsmarkt er daarentegen wel goed uit, volgens het ROA. Voor universitair geschoolde werktuigbouwkundigen geldt hetzelfde.

Beter nadenken
Betekent dit dat universiteiten en hogescholen minder bèta’s moeten gaan opleiden? Frank Cörvers: “Het is moeilijk om iets te zeggen over de situatie na 2014. Studenten die een technische opleiding willen volgen, moeten misschien wat beter nadenken of ze dat echt willen. De twijfelaars kunnen wellicht beter voor een andere richting kiezen. Op langere termijn verwacht ik overigens voor alle richtingen weer ‘tekorten’, dat wil zeggen grotere fricties die kunnen leiden tot loonstijgingen. De vraag is dan of dit voor de bètatechnische richtingen meer het geval zal zijn dan bijvoorbeeld in de zorg.”

Langere termijn
Het Platform Bèta Techniek, dat overheidssubsidie krijgt om het tekort aan bèta’s en technici te bestrijden, verwacht dat de arbeidsmarkt op de iets langere termijn aantrekt. Het heeft geregionaliseerde en actuelere prognoses laten maken die over twee weken worden gepresenteerd.

Nu kiezen
“Wij wilden een prognose die iets zegt over het perspectief van de mensen die nu een studie moeten kiezen”, zegt Rebecca Hamer, programmaregisseur onderzoek, desgevraagd. “Uit de prognoses die onderzoeksbureau Louter maakte op basis van ROA- en UWV-cijfers, blijkt dat in 2015 geen enkele hbo- of wo-studie een slecht of matig arbeidsmarktperspectief heeft.”

Vmbo en mbo
Overigens voorspelt het ROA dat er de komende jaren een tekort van 37.000 bètatechnisch geschoolden ontstaat. Maar dat zijn vooral banen op vmbo- en mbo-niveau.