Klinkt goed: ultrageluid tegen depressie
Chronische pijn en depressie zijn alle twee aandoeningen waarvoor medici wanhopig op zoek zijn naar nieuwe, doeltreffende behandelmogelijkheden. Tiago Costa werkt daarom aan een nieuwe, gerichte neuromodulatie behandeling voor depressie, op basis van gefocust ultrageluid. Zo kan hij precies het deel van de hersenen behandelen dat aandacht nodig heeft, terwijl de rest met rust wordt gelaten.
Al sinds zijn middelbareschooltijd droomde Tiago Costa van een carrièrepad waarbij hij zijn horizon voortdurend kon blijven verbreden. Met robotica in gedachten koos hij voor een studie elektrotechniek. Maar hij belandde in de Verenigde Staten waar hij zich specialiseerde in microchips voor de interactie van ultrageluid met biologische weefsels. Nu werkt hij in de Bioelectronics-groep van de TU Delft aan de volgende generatie elektroceutica (zie frame). “Toen ontmoette ik neurochirurg Dirk de Ridder, die me vertelde dat ze naarstig op zoek zijn naar nieuwe behandelmogelijkheden voor depressie,” zegt hij. “Omdat het bij depressie om een netwerk van meerdere hersengebieden gaat, is het een perfecte match met gefocust ultrageluid.”
Hersenstimulatie
Een op de zeven mensen ontwikkelt ooit een klinische depressie. Velen zullen afdoende baat hebben bij psychotherapie of antidepressiva. Voor de 30 procent met zogenoemde therapieresistente depressie rest de optie tot behandeling met behulp van hersenstimulatie. “De twee beste, niet-invasieve behandelvormen stimuleren hersenactiviteit met gebruik van stroom of magnetisme,” zegt Costa. “Maar de resolutie ervan is zeer beperkt. Ze stimuleren een groot hersenvolume waarin dan, min of meer per ongeluk, iets gebeurt dat een positief effect heeft.”
Het invasieve alternatief is het implanteren van elektrodes, diep in de hersenen. Dit heeft een veel meer lokaal effect, maar heeft als nadeel dat er slechts één enkel punt gestimuleerd kan worden. Costa: “Eenmaal uitontwikkeld vergt gefocust ultrageluid een eenmalige, veel minder invasieve operatie waarbij we alleen door de schedel heen hoeven te dringen, niet de hersenen zelf. Vanaf die ene locatie kunnen we dan kiezen welke kleine hersengebieden we willen stimuleren. Dat betekent ook dat we de behandeling kunnen aanpassen als de hersenen zich herorganiseren.”
Omdat het bij depressie om een netwerk van meerdere hersengebieden gaat, is het een perfecte match met gefocust ultrageluid
Gericht geluid
Een bril helpt je ogen met het focussen van licht op de retina achter in je oog. En met een vergrootglas kan je een kampvuur starten door zonlicht op een klein punt te concentreren. Gefocust ultrageluid werkt ongeveer hetzelfde, maar dan met geluid – dat makkelijk door weefsel dringt – in plaats van met licht. Het focuspunt kan heel klein zijn, ongeveer een halve millimeter in diameter. Dat komt overeen met het stimuleren van zo’n tien- tot twintigduizend hersencellen. Dat is een factor duizend minder dan haalbaar met de huidige best-in-kind ultrageluidtechnieken van buiten de schedel.
Een minuscule transducer zet elektrische energie om in geluid, dat alle richtingen op gaat. Op Costa’s microchips zitten heel veel van zulke transducers in een rasterpatroon. “Door elke transducer elektronisch op exact het juiste moment te activeren kan ik kiezen waar de geluidsgolven samenkomen,” zegt hij. “Sommige transducers zullen iets eerder geactiveerd worden omdat deze geluidsgolven iets verder moeten reizen, andere wat later. Omdat het allemaal elektronisch geregeld is kunnen we elke soort ‘lens’ maken die we willen, en het geluid dus op elke mogelijk plek in de hersenen focussen.”
We stimuleren niet alleen de hersenen, we meten ook de reactie ervan en van de patiënt.
Stimuleren en uitlezen
Gefocust ultrageluid is slechts een deel van de oplossing. “We moeten ook betrouwbaar hersensignalen kunnen meten die wijzen op een verschillende staat van de depressie,” zegt Costa. “Daarmee bepalen we of we de bundel op een plek focussen waar die een positief effect heeft, of dat we hem op een andere plek moeten richten. Zo kunnen we de behandeling aan de individuele patiënt aanpassen.”
De onderzoekers meten de hersenactiviteit met behulp van EEG, en ze proberen daarin patronen te herkennen. Beide technologieën – voor lezen en stimulatie – integreren ze in een enkel apparaatje dat onder de schedel komt te zitten, maar nog boven op de buitenste beschermlaag van de hersenen (de dura). Een tweede apparaatje, boven op de schedel, dient als draadloze zender.
Essentiële samenwerking
Er zullen nog veel hobbels genomen moeten worden voordat dit tot een technologische doorbraak in de gepersonaliseerde behandeling van depressie kan leiden. De uitdagingen hierbij zijn zowel technisch van aard (zoals miniaturisatie, de accu, data compressie) als medisch (wat is de doel-hersenactiviteit, en weefselcompatibiliteit?). Het UPSIDE-consortium bestaat dan ook uit heel veel verschillende disciplines: van bio-elektronica tot neurochirurgie, en van hersen-machine interfaces tot psychiatrie.
Costa’s rol hierin is om de best-mogelijke chips voor de behandeling van depressie te ontwikkelen. Aan de ene kant betekent zijn multidisciplinaire focus dat hij minder tijd overhoudt voor puur micro-elektronicaonderzoek. Maar hij realiseert zich ook dat hij hierdoor grotere systemen kan conceptualiseren, en dat creativiteit juist daar bloeit waar verschillende disciplines convergeren.
Gefocust ultrageluid is als een schroevendraaier, geschikt voor de behandeling van allerlei hersenziekten.
Elektroceutica
Neuronen zijn de fundamentele bouwstenen van de hersenen en het zenuwstelsel. Ze communiceren door middel van bio-elektriciteit. Zo sturen ze de bewegingen en regelen ze de ademhaling en allerlei biologische processen. Elektroceutica zijn draagbare, implanteerbare en injecteerbare biomedische apparaten die met de zenuwbanen van het menselijk lichaam interageren, door middel van elektriciteit of anderszins. Het is een nieuwe klasse van therapeutica die de potentie hebben om bepaalde ziektes zeer gericht, omkeerbaar en levenslang te behandelen. Bij bepaalde neurologische aandoeningen en autoimmuunziekten worden er al successen mee geboekt.
(Veel) meer dan depressie
De chip zal mogelijk meer dan alleen depressie kunnen behandelen. “Het is als een schroevendraaier, en kan mogelijk nuttig zijn in de behandeling van veel verschillende hersenziekten,” zegt Costa. Daarnaast ontwikkelt hij ook chips waarmee ze juist precies willen uitzoeken hoe ultrageluid op celniveau neuronen activeert. Samen met collega’s van zijn onderzoeksgroep heeft hij plannen om een klein bio-meetlab op te zetten waar ze beide soorten chips willen testen op levend weefsel, zoals cellen en plakjes van hersenen.
Zijn ultieme droom is om bij te dragen aan een compleet instituut, met elektrotechnici, natuurwetenschappers, werktuigbouwkundigen, zelfs lucht- en ruimtevaarttechnici, en daarnaast ook biologen, neurowetenschappers, noem maar op. Costa: “Het zal gescheiden laboratoria hebben, maar slechts één kantine en één plek met koffiemachines. Stop verschillende disciplines langdurig bij elkaar en er komen mooie dingen uit.” Het is zijn manier om het maximale te halen uit de vruchtbare grond bij de raakvlakken tussen disciplines, en om zijn eigen horizon te blijven verbreden.
