NEURALE ELEKTROSTIMULATIE

Zonder dat we er bij na hoeven te denken zorgen onze hersenen ervoor dat we kunnen lopen. Ongemerkt transporteren zenuwbanen hun elektrische signalen naar de spieren van het bewegingsapparaat. Daarbij kan echter iets goed mis gaan. Bij een dwarslaesie bijvoorbeeld, wanneer de spieren verstoken blijven van signalen vanwege een breuk in het ruggenmerg. Een ernstige verlamming is het gevolg, terwijl de zenuwen en spieren in armen of benen nog geheel intact zijn.

Een van de belangrijkste uitdagingen in het biomedische technologisch onderzoek is hiervoor een oplossing te vinden. Een techniek die wordt aangeduid als functionele elektrostimulatie (FES) biedt goede mogelijkheden om motorische functies te herstellen bij mensen met een verstoorde prikkelgeleiding.

Bij FES gaat het erom de spierzenuwen van buitenaf zodanig te prikkelen dat de spieren weer tot actie worden gemaand. Min of meer standaard is de uitvoering met elektroden die op de huid worden geplakt. Daarmee is het zeker mogelijk mensen met een dwarslaesie weer op de been te helpen. Maar echt lópen, dat is een ander verhaal.

Huidelektroden zijn tamelijk grove instrumenten. Ze sturen een fors elektrisch signaal naar hele zenuwen. Daarmee worden complete spieren - of grote delen daarvan - in één keer aangestuurd. Het gevolg is een tamelijk krampachtige en nogal snel vermoeide spierbeweging.

Een natuurlijker loopbeweging vergt een veel verfijndere stimulatie. Bij voorkeur dezelfde die de hersenen hanteren. Daarbij worden individuele spiervezels aangestuurd via afzonderlijke zenuwvezels.

Wie dat wil nadoen, zal dus met een elektrode de zenuw in moeten. Dergelijke neurale elektrostimulatie is niet gemakkelijk te realiseren. De individuele zenuwvezels, die met honderden tegelijk in een zenuw aanwezig zijn, hebben een diameter van slechts duizendsten van een millimeter. Bovendien zijn ze alleen nauwkeurig aan te sturen in de directe omgeving van de zogeheten 'knopen van Ranvier', waar hun beschermende buitenlaag afwezig is. Die knopen zijn op regelmatige afstanden van elkaar over de vezel verspreid.

Bij de Universiteit Twente zint men op manieren om dergelijke neurale elektrostimulatie voor elkaar te krijgen. Wim Rutten van de vakgroep bio-informatica voert dat onderzoek uit in samenwerking met het Biomedisch technologisch instituut en het Micro-engineering and sensors & actuators instituut. In het verleden toonde Rutten al met eenvoudige elektroden aan dat het werken ín een zenuw mogelijk is. Nu is het langzamerhand tijd voor de echte proef op de som.

Nog dit jaar hopen Rutten en zijn naaste medewerkers Jos Smit en Jeroen Bielen een wel heel bijzondere elektrode gereed te hebben. Met maar liefst 128 naaldjes is het een soort implanteerbaar spijkerbedje dat in de zenuw prikt. De naaldjes, 10 tot 20 duizendste millimeter in diameter en twee tot zes tiende millimeter lang, kunnen dan afzonderlijke zenuwvezels bereiken.

Onder het spijkerbedje zal een chip (afmeting 4 bij 4 millimeter) met stroombronnen, versterkers en zogeheten multiplexers worden gemonteerd. De chip moet er voor zorgen dat ieder afzonderlijk naaldje zijn eigen elektrische puls kan doorgeven. Het is de bedoeling spijkerbedje en chip via een speciale flip chip-soldeertechniek aan elkaar te bevestigen. Dat kon nog wel eens moeilijk blijken - de naaldjes behoeven bescherming tegen de tamelijke ruwe behandeling - maar het drietal is optimistisch over de haalbaarheid.

Alleen al de integratie van de spijkerbed-microstructuur met de redelijk complexe elektronica - nog zelden vertoond in de microtechnologie - maakt het elektrodensysteem tot een bijzonder instrument. Maar ook het driedimensionale karakter van het spijkerbed (de ongelijke lengte van de naaldjes) heeft voor veel hoofdbrekens gezorgd. Rutten is best trots op het resultaat. Nog belangrijker vindt hij echter de te verwachten prestaties bij neurale elektrostimulatie.

Experimenten van Smit, aan een eenvoudig spijkerbedje met 24 naaldjes met een gelijke lengte, hebben aangetoond dat het inderdaad mogelijk is selectief zenuwvezels aan te sturen. Bij een zestal ratten werd daarvoor een kuitspier blootgelegd. De elektrode werd in de bijbehorende zenuw geprikt - die heel behoorlijk overeenkomt met een menselijke zenuw - en vervolgens was de relatie tussen toegevoerde stroom en spierkracht voor elk naaldje vast te leggen.

De experimenten toonden aan dat op deze wijze gemiddeld zo'n tien afzonderlijke spiereenheden te activeren waren. Omdat de betrokken spier (de Extensor digitorum longus, een teenstrekker) door 69 afzonderlijke zenuwvezels wordt aangestuurd lijkt dat niet veel. Maar in relatie tot de 24 elektrode-elementen was het een boven verwachting hoge score. Het belooft in elk geval veel voor het spijkerbed met de 128 naalden van verschillende lengtes. Uit kansmodellen blijkt dat met die elektrode zo'n veertig afzonderlijke spiereenheden aan te sturen moeten zijn.

Rutten kan maar nauwelijks wachten tot het nieuwe spijkerbedje in een rat wordt getest. Als het werkt - en daar twijfelt hij eigenlijk niet aan - dan zouden ook geavanceerde besturingsmechanismen kunnen worden getest, die de krachten in de spier zo natuurlijk mogelijk opbouwen.

Hoe belangrijk deze stappen ook zijn op weg naar een zo natuurlijk mogelijk resultaat bij menselijke neurostimulatie, Rutten is intussen alweer op zoek naar nog efficiëntere elektrodensystemen voor signaaloverdracht. Hij ontving er van de Twentse universiteit een miljoen gulden voor. En begin dit jaar honoreerde de Europese unie een onderzoeksvoorstel met nog eens 1,4 miljoen gulden (te verdelen onder drie partners in Italië, Engeland en Duitsland).

“De ultieme elektrode zal één-op-één contact moeten leggen met de vezels in de motorische zenuwen”, stelt Rutten. “Pas dan zou je eraan kunnen denken natuurlijke bewegingen op te wekken. Met de huidige stand van de microtechnologie is dat gewoon niet haalbaar.” Om de impasse te doorbreken doet hij een gedurfd voorstel: “Laat de technologie voor wat hij is en probeer de zenuw zo ver te krijgen dat hij zich aan de elektrode aanpast.”

Daarmee begeeft Rutten zich op het gebied van tissue engineering, de weefseltechnologie. Daarbij gaat het erom menselijk weefsel volgens een vooropgezet plan te laten groeien. Dit is bijvoorbeeld van belang voor de aansluiting tussen botweefsel en implantaten. Maar ook wordt onderzocht of het misschien mogelijk is op deze wijze verbroken zenuwen te herstellen.

Weefseltechnologie is een nog typisch medisch wetenschapsgebied waar technologen zich nauwelijks aan wagen. Rutten verwacht er echter veel van. “Uit moleculair en celbiologisch onderzoek is veel bekend geworden over de groeimechanismen van zenuwcellen. Dat zou het mogelijk moeten maken zenuwen gericht naar elektroden te laten groeien.” Rutten heeft samenwerking gezocht met wetenschappers van het Nederlands herseninstituut en met de geneeskundige faculteit van de Rijksuniversiteit Leiden.

“We zijn nu bezig een cultured probe te ontwikkelen. Dat is een chip waarop we in een laboratorium zenuwweefsel kweken. Zo willen we de aansluiting tussen elektronica en neuronen voor elkaar krijgen. De probe wordt vervolgens geïmplanteerd, waarna het gekweekte weefsel met de echte spierzenuw zal vergroeien.”

Daarmee schetst Rutten in een paar zinnen een ontwikkelingstraject van zeker tien jaar. Voorlopig blijkt het al moeilijk genoeg het zenuwweefsel zo ver te krijgen dat het bij voorkeur op de contactpunten van de elektrode gaat uitgroeien. De afgelopen maanden is het mogelijk gebleken de zenuwcellen daartoe min of meer te dwingen door de samenstelling van het oppervlak van de elektrode op bepaalde plaatsen chemisch te veranderen.

Maar Rutten is niet tevreden met de resultaten. “Het moet beter kunnen. We gaan straks ook proberen of je bij de elektrodepunten bepaalde eiwitfragmenten kunt aanbrengen die op een meer biologische manier de groei van de cellen stimuleren.”

En er zijn nog andere mogelijkheden. Misschien lukt het de zenuwen te geleiden door kleine groefjes aan te brengen, en wellicht kunnen elektrische velden helpen. Rutten denkt ook aan sporen van afbreekbare kunststofbolletjes die een soort lokstof voor de groeiende zenuwen bevatten. “Er zijn mogelijkheden te over, maar er is nog weinig uitgeprobeerd.”

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden