Category Archives: Understanding the Brain

The rising stars of the TU Delft, featuring …

Dante Muratore

After his PhD in what he calls “hardcore analogue microelectronics”, rising star Dante Muratore knew he wanted to continue his career working on systems that are closer to an actual application. A postdoc position at Stanford University, in which he worked on the electronics for an artificial retina to treat medical conditions leading to the loss of vision, brought him just that. Then, wanting to come back to Europe and to continue doing bioelectronics at the highest level possible, an opening at TU Delft crossed his path. ‘It was the easiest choice I ever made,’ he says.

Brain-machine interfaces

As assistant professor within the Bioelectronics group, the central theme of Muratore’s research is to build brain-machine interfaces. In the first few years of his tenure, he will continue development of the artificial retina and also work on applications related to the motor cortex – ultimately allowing treatment of, for example, paralysis and locked-in syndrome. ‘Our aim is to interface with individual cells of the nervous system, also taking into account each neuron’s cell type,’ he says. ‘For the retina, it is mostly about stimulating these neurons so they will send the correct signal to the brain. For the motor cortex, we record the information coming from the brain, which indicates the intention of movement. We then want to use that information to control an external device, such as a mouse cursor or a robotic arm. We are also considering implementing feedback to the motor cortex as this may provide the user with a sense of body position.’

We aim for our brain-machine interfaces to interact with individual cells of the nervous system, also taking into account each neuron’s cell type.

― Dante Muratore

A staggering amount of data

As they will be implanted, these brain-machine interfaces need to be small – the artificial retina device has the size of a pea. Yet, they need to manage massive amounts of data, comparable to streaming a hundred HD Netflix movies at once. Muratore closely collaborates with neuroscientists. ‘Basically, I need them to tell me how bad a job I can do at managing these data for the device to still operate as intended, so I can reduce overall power consumption.’ He also interacts with the people specialised in signal processing to determine, for example, if data compression should be integrated close to the (neural) sensor or if it is better to take it off-chip. ‘The biggest challenge, however, is not a scientific one,’ he says. ‘Each sub-problem requires a completely different academic specialty to design a solution – typically an incredibly complicated one. At the end of the day, you need to put these together to work as a single machine. This is a very challenging engineering problem.’

An implantable brain-machine interface has to be very small, yet able to handle massive amounts of data.

― Dante Muratore

Happy in the Medical Delta

Muratore is very happy with the Medical Delta and the ongoing convergence with Erasmus University and Medical Centre. ‘A brain-machine interface really is not a one-man job,’ he says. ‘You want these medical and technical disciplines to mingle, to have lunch together over which to share the problems we run into. We need to truly understand each other and speak the same language.’ Having arrived pretty much with the country in lockdown, he hasn’t yet been able to build strong multi-disciplinary collaborations. But next month, he is expecting to hear about the Marie Curie grant proposal he submitted. ‘My group leader, Wouter Serdijn, has also involved me in the writing of a couple of large NWO grants. Bringing young people on board is one of the things that is great about TU Delft.’

Microimplants: electricity instead of pills

Interview with Prof. Vasiliki Giagka, Group Leader “Technologies of Bioelectronics”, Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM and Assistant Professor of Bioelectronics, Delft University of Technology

In MEDICA Magazine, 23.11.2020

Image: Prof. Vasiliki Giagka; Copyright: privat

Prof. Vasiliki Giagka

Image: Microimplantat; Copyright: Fraunhofer IZM

Elektronica: het medicijn van de toekomst

Hoe bioelektronica de kwaliteit van leven kan vergroten en wat ons nog tegenhoudt in de brede toepassing ervan.

Geschreven door Jill van Remundt,
masterstudent Wetenschapscommunicatie en Industrieel Ontwerpen aan de TU Delft.

Ik was ongeveer 4 maanden oud toen ik met mijn ouders naar Griekenland vloog. Het was de bedoeling om uit te rusten tijdens een ontspannen vakantie aan zee. Uiteindelijk werd het een hel voor mijn vader en is zijn leven daarna nooit meer hetzelfde geworden.

Tijdens die vakantie in Griekenland kreeg hij de eerste symptomen van wat later zou worden gediagnostiseerd als de Ziekte van Ménière. Hij was misselijk, erg duizelig en het enige dat hielp was in bed liggen en slapen. Mijn moeder bleef bij hem in het appartementje terwijl ze in haar eentje op mij, als kleine baby, moest passen.

Nu ruim 24 jaar later zijn de gevolgen van de ziekte nog altijd aanwezig. Mijn vader hoort een constante ruis in zijn oor die nooit meer weg zal gaan. Ook is hij aan zijn linkeroor bijna geheel doof. Hij heeft ermee leren leven, het is een onderdeel van hem geworden, maar heeft er nog dagelijks last van. Een van zijn grootste passies, muziek, heeft een andere betekenis gekregen in zijn leven.

De gevolgen van tinnitus

Mijn vader is niet de enige met deze ervaring. Er wordt geschat dat in Nederland tussen de 10.000 tot 15.000 mensen lijden aan de Ziekte van Ménière [1]. Tinnitus (oorsuizen) kan het gevolg zijn van de Ziekte van Ménière, maar heeft ook andere oorzaken. Mensen die aan tinnitus lijden horen vaak bijna onafgebroken geluid. Dit geluid kan bijvoorbeeld geruis, gepiep, gerinkel of gebonk zijn. 10 tot 15 procent van de bevolking heeft (wel eens) last van tinnitus [2]. In 2017 ging het dus om 1.7 tot bijna 2.6 miljoen Nederlanders. Voor 1 tot 2% van de bevolking vormt het horen van constant geluid aanzienlijke hinder en wordt het gezien als groot probleem [3].

Wouter Serdijn, professor bioelektronica en hoofd van de sectie Bioelektronica aan de TU Delft, vertelt me het verhaal van Gaby Olthuis. Op het eerste gezicht leek ze een gezonde en gelukkige vrouw. Ze leed echter aan tinnitus en hoorde een constante pieptoon in haar hoofd. Daarnaast was ze overgevoelig voor buitengeluid. ‘Ik zit klem in geluid,’ zei ze hier zelf over in een rapportage van Omroep West [4]. Voor Gaby was geluid en de tinnitus zo’n kwelling, dan ze met behulp van euthanasie in 2014 een eind aan haar leven heeft gemaakt.

Bioelektronica als medicijn

Serdijn vertelt me het verhaal van Gaby omdat dit soort voorbeelden voor hem de motivatie vormen voor zijn werk. Binnen de bioelektronica groep op de TU Delft houden professoren, onderzoekers en studenten zich bezig met de (biomedische) toepassing van elektronische implantaten en elektronische medicijnen. Het oudste voorbeeld van een elektronisch implantaat is de pacemaker.

Chemische medicatie (denk aan bijvoorbeeld tabletten of capsules) kan worden gezien als een ‘lichaamsvreemde’ stof die via de bloedbaan wordt verspreid en een interactie aangaat met de biologische systemen in het lichaam. Elektronische medicatie daarentegen, probeert een ziekte of aandoening te onderdrukken door het elektronisch stimuleren van spieren of het zenuwstelsel. Een voordeel van deze methode is dat de behandeling veel gerichter kan worden ingezet op het aangetaste gebied in het lichaam. Waarbij chemische medicatie zich in de bloedbaan door het hele lichaam kan verplaatsen, en een interactie kan aangaan met allerlei organen, focust elektronische medicatie zich op een specifieke spier of zenuw(groep).

Bioelektronica kan een hulpmiddel zijn voor de behandeling van diverse aandoeningen en ziektes. Het is bijvoorbeeld mogelijk om het ongecontroleerd trillen van Parkinsonpatiënten te onderdrukken waardoor deze mensen weer zelf dingen kunnen oppakken. In bepaalde mate is het mogelijk om het geruis veroorzaakt door tinnitus te onderdrukken of weren. Maar ook is bioelektronica tot dingen in staat die verder reiken dan de mogelijkheden van chemische medicatie. Zo is het op dit moment al mogelijk om blinden hun zicht terug te geven en om doven weer geluiden te laten horen [5]. Het is de ambitie van Serdijn om de kwaliteit van leven voor mensen met een aandoening of ziekte te verbeteren. Mensen die hinder ervaren of soms zelfs ondragelijk lijden, zoals in het geval van Gaby, die geen enkele kwaliteit van leven meer ervaarde.

Bioelektronica nog beperkt toegepast

Technologisch gezien is er al een hoop mogelijk, vertelt Serdijn mij, maar een hoop toepassingen zijn nog niet uitgebreid genoeg getest om te kunnen worden geïmplementeerd in behandelingen. Ook spelen de richtlijnen en test-eisen in de medische wereld een rol bij de huidige beperktheid van behandelingsopties. Maar dat is niet alles zegt hij, ‘de behandelaars zelf weten vaak ook nog niet goed wat er al mogelijk is.’

En dan is er nog een vierde reden waardoor bioelektronica en elektrische medicijnen nog niet op brede schaal worden toegepast. ‘Veel mensen zijn bang dat ze gehackt of bestuurd kunnen worden,’ vertelt Serdijn. Recent had hij een journalist aan de telefoon die vroeg; ‘kan Google nou in ons hoofd?’ ‘Die vragen, die leven er,’ zegt hij. Ook nu tijdens de Covid-19 pandemie: mensen zijn bang dat ze in de gaten zullen worden gehouden door een chip in het vaccin. ‘Technologisch kan dat niet eens,’ vertelt Serdijn [*]. ‘Maar je kunt die mensen dat niet uitleggen. Zij zeggen dan, ‘jij bent wetenschapper, dat is ook maar een mening.’’

Het medicijn van de toekomst

De brede toepassing van de bioelektronica en elektronische medicijnen wordt dus niet vertraagd door de snelheid van de innovatieve ontwikkelingen. Het wordt vertraagd omdat nog te weinig bekend is over de langetermijngevolgen, door het lange medische traject van testen, omdat behandelaars vaak niet op de hoogte zijn van de mogelijkheden en omdat mensen sceptisch of zelfs angstig zijn als het gaat om elektronica in hun lichaam. Al die redenen zijn in meerdere of mindere mate begrijpelijk, maar dagelijks zouden de biomedische toepassingen van bioelektronica heel veel mensen een verhoogde kwaliteit van leven kunnen brengen. Was er eerder al meer mogelijk geweest, dan was Gaby Olthuis er nu misschien nog.

Verhalen als die van Gaby zullen Wouter Serdijn blijven drijven om door te gaan met zijn werk en onderzoek. Hij doet zijn best om de neurowetenschappers betere technologie te kunnen geven om de hersenen te onderzoeken en de behandelaars wil hij mogelijkheden toereiken om beter te kunnen behandelen. Zo wordt er op het gebied van bioelektronica in de toekomst hopelijk meer mogelijk en is er misschien nog een kans dat mijn vader in de toekomst opnieuw kan genieten van muziek zoals hij dat vroeger deed.

Je stoornis te lijf met elektronische medicijnen

Tekst: Marjolein van der Veldt
Foto: Sam Rentmeester
Okt 2020

Steeds meer mensen lopen rond met een chip in hun lichaam. Hiermee kunnen ze betalen of inchecken bij het openbaar vervoer. “Klinkt futuristisch, maar zo bijzonder is die technologie niet”, vertelt prof.dr.ir Wouter Serdijn. Hij werkt aan bio-elektronische medicijnen. 

Serdijn kan het weten. Hij werkt als professor bij de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica aan de ontwikkeling van bio-elektronische medicijnen. Dit zijn kleine apparaatjes die met de zenuwen, spieren of het hart communiceren en precies weten wanneer het lichaam wat nodig heeft. Een bekend voorbeeld is de pacemaker, maar bio-elektronische medicatie wordt ook gebruikt bij aandoeningen als de ziekte van Parkinson, dystonie of epilepsie.

“Voor patiënten die niet of niet meer met medicijnen te behandelen zijn, is elektronische medicatie soms een laatste redmiddel”, vertelt Serdijn. Hij noemt de behandeling van tremoren met diepe breinstimulatie. Hierbij wordt een elektrode-array, een dunne geleidingsdraad, in de hersenen geplaatst. Deze wordt via een onderhuids verlengkabeltje aangesloten op een elektronische impulsgenerator (IPG). De vlak onder het sleutelbeen geïmplanteerde IPG geeft pulsen af die naar de hersenen worden ge-stuurd om tremoren onder controle te krijgen. De arts stelt de snelheid, duur en sterkte van de pulsen af. Soms heeft de patiënt zelf ook controle over een paar instellingen.

“Dat klinkt heftig, want het betekent dat je wroet op een plek waar de motoriek wordt geregeld, maar waar ook iemand persoonlijkheid en gedachten zich bevinden. Een riskante operatie, maar het maakt vaak een groot verschil”, vertelt Serdijn. “Het is heel bijzonder als je ziet dat iemand die de hele tijd zit te trillen, opeens stil wordt en dingen kan vastpakken op het moment dat je stimulator aanzet.”

Het is bijzonder als je ziet dat iemand die de hele tijd zit te trillen, opeens stil wordt

Eenzelfde technologie wordt gebruikt bij patiënten met evenwichtsstoornissen als de ziekte van Ménière of om dove mensen via cochleaire implantaten weer te laten horen. De toekomst is veelbelovend. “Momenteel werk ik samen met het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen aan een stimulatietechniek waardoor blinden in hoge resolutie kunnen zien en ik verwacht grote stappen in de behandeling van migraine en depressie met bio-elektronische medicijnen.”

Serdijns ultieme droom is om mensen volledige controle te geven over onbedwingbare neigingen, uitingen die tegen de persoonlijkheid ingaan. “Hersengerelateerde aandoeningen kunnen veel leed veroorzaken. Vaak wordt gezegd: ‘Het zit tussen je oren’. En dat klopt, maar het is geen kwestie van vrije keuze. Denk aan verslavingen. Vroeger dacht ik dat het een gebrek aan wilskracht was, maar het is het brein dat tegen iemand zegt: ‘Zie jij dat flesje daar? Dat wil ik hebben. Dat heb ik nodig.’ De patiënt is slachtoffer van een onbedwingbare neiging om middelen tot zich te nemen die niet goed voor hem zijn.”

Meer info? bioelectronics.tudelft.nl

“The Rising Stars of TU Delft” featuring Tiago da Costa

Delft Health Initiative introduces “The rising stars of the TU Delft”. Here we present stories of talented researchers, assistant and associate professors in the field of healthcare. The goal is to get to know the rising stars, read about their research and ambitions, and look for collaborations. Read below the story of rising star Tiago da Costa.

Tiago Costa

by Xandra van Megen

Finally arrived in Delft
During the rainy days in October, a rising star came to Delft. His name: Tiago Costa. After doing his bachelor’s, master’s and PhD in Lisbon (Portugal) and a postdoc in New York (USA), he is now an assistant professor at the microelectronics department at the TU Delft.

Not physically penetrating the brain
Tiago Costa is developing technologies, specifically using integrated circuits on microchips, to try to interfere with the nervous system, brain, spinal cord, and peripheral nerves. This is useful because nowadays diseases, such as Parkinson or rheumatoid arthritis can be treated with electrical signals. However, this still requires surgery to implant large electrodes in the brain or placing electrodes around nerves, which is very risky.

The goal of Tiago Costa is to create microchips for minimal invasive or non-invasive treatments.  In order to achieve this, he is exploring ultrasound. Ultrasound can propagate through tissue and can be focused on a specific depth and location. This way chips of a few millimeters or centimeters can be used as wearables. This way no surgery is needed to physically penetrate through body parts, such as the brain.

This way no surgery is needed to physically penetrate through body parts, such as the brain.

A wake-up call
Tiago Costa is doing this research after getting a wake-up call. “For 6 months in between my master’s and PhD, I went to work for a big car company, as an electrical engineer. It was a big shock when I realized that I only used a little knowledge from my background because the work was much more superficial. Another thing was that I saw that the industry was only led by profits, regardless of the applications. I was not seeing myself working there for the next 20 years. I really wanted to do something that can help mankind in some way, not just work in a company developing products people even don’t know why they need it. That is why I went back to university and continued with microelectronics in the medical field to really add value.”

I was not seeing myself working there for the next 20 years. I really wanted to do something that can help mankind in some way.

Bridge the gap
He is motivated to continue this research because he is convinced he can make the step to the actual reality. “People have been talking about brain-machine interfaces for the last 20 years, but you don’t see any. The promise that science made to the world has somehow failed the expectations. I still see a big gap between the potential outcomes and the actual reality. I think I am able to make this step. However, I don’t know how much time it will take. Hopefully, it will turn out to be something meaningful.”

People have been talking about brain-machine interfaces for the last 20 years, but you don’t see any.

Bikes, flatland, tulips. Lunch?!
As Tiago Costa just started at the beginning of October he is starting to find collaborations with other colleagues and professors. The research he is conducting is very multidisciplinary. He is focusing on a device, but there is much more to it. He needs collaboration with medical specialists and neuroscientists, but he is also seeking collaborations in micro-fabrication facilities, such as the Else Kooi laboratory and signal processing experts.

He already mentioned that the group environment in his department is very nice, friendly, open and multicultural. However, he is still surprised by the Dutch people in his group. “I knew about the bikes, I knew about the flatland and I knew about the tulips, but I was very surprised about the lunch; Seeing people eating two slices of bread with cheese and drinking a glass of milk! I did not adapt to that yet.”

Student Alberto brengt draadloos monitoren een stap dichterbij

NIEUWS – 19 FEBRUARI 2020

In September 2017 begon Alberto Gancedo aan zijn master Microelectronics aan de Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI). Alberto had een grotere ambitie dan alleen afstuderen. Zijn doel was om een klein, draagbaar en goedkoop meetapparaat te ontwikkelen om ongewone hersenactiviteit bij premature baby’s te constateren. Dankzij donaties van EWI alumni kreeg Alberto de mogelijkheid om zijn ambitie waar te maken. Alberto studeerde af op 7 februari 2020 en hij gaf het Universiteitsfonds Delft een update over zijn prestaties.

Nu je bent afgestudeerd, wat is het eerste dat je met EWI alumni wilt delen?
EWI alumni hebben mij enorm geholpen om mijn project naar het punt te brengen waar ik het graag wilde hebben: ik heb bewezen dat een kleine chip de oplossing kan zijn om een betaalbaar en draadloos meetapparaat te ontwikkelen. Dus allereerst wil ik zeggen dat ik dankbaar ben voor de donaties van EWI alumni. Dankzij deze donaties was het voor mij mogelijk om aan de TU Delft te studeren en kon ik dit onderzoek doen aan de afdeling Bioelectronics van de Faculteit EWI.

We zijn benieuwd, wat is er de afgelopen 2 jaar gebeurd?
Mijn leven is best veel veranderd. Eigenlijk was ik niet eens van plan om een masteropleiding te gaan doen. Tijdens mijn bachelor heb ik een stage bij Healthtech B.V. in Delft gedaan. Daar kwam ik in aanraking met de TU Delft en het aEEG project. aEEG staat voor Amplitude-integrated electroencephalogram en tijdens mijn stage begon ik de potentie van dit project in te zien. Met de hulp van Universiteitsfonds Delft kreeg ik de kans om mijn verhaal en ambitie voor dit project te delen met EWI alumni. Ondertussen realiseerde ik me ook dat ik tijdens mijn master graag aan dit project wilde blijven werken. Ik voelde me verantwoordelijk voor dit project en was gemotiveerd om iets te ontwerpen dat babies zou helpen om zich comfortabel te voelen terwijl ze gemonitord worden. Nadat ik de donaties van EWI alumni ontving, bestemd voor mijn project, voelde ik me enorm bevoorrecht en om eerlijk te zijn voelde ik ook een druk om te presteren.

Waar ben je het meest trots op?
Ik heb het aEEG project gebruikt voor mijn master scriptie. Het doel van het project is in de loop van de tijd wel iets veranderd. Toen ik ongeveer een half jaar bezig was met mijn master, zagen ik en mijn begeleider prof. Wouter A. Serdijn de mogelijkheid om het project naar een hoger niveau te tillen: in plaats van de focus te leggen op de ontwikkeling van een nieuw apparaat, zijn we gaan focussen op het ontwerpen van een chip. Deze chip is kleiner dan 1 mm en kan geïmplementeerd worden, samen met een kleine batterij, op een kleine patch. Deze patch is comfortabel om te dragen voor de patiënt omdat het geen bedrading heeft. Deze chip is een unieke en veelbelovende oplossing omdat, zodra het ontwerp is bewezen, het goedkoop kan worden geproduceerd. Maar door deze nieuwe focus moest het onderzoek wel weer van begin af aan opgestart worden en dat was een uitdaging. Ik ben trots om te kunnen vertellen dat ik inmiddels een paper heb gepubliceerd, waarin de resultaten van de eerste iteratie van deze chip worden getoond: het bewijs dat een chip de oplossing is! In oktober vorig jaar heb ik mijn paper op de Biomedical Circuits and Systems Conference in Japan gepresenteerd.

Hoe gaat je chip uiteindelijk baby’s helpen?
Het kostte me meer dan een jaar om de chip te ontwerpen en aan het einde van deze maand verwacht ik de chip van de fabrikant te ontvangen. Ik denk dat het nog meer dan een jaar zal kosten voordat we de patch op patiënten in ziekenhuizen kunnen testen. Zodra we deze fase bereiken denk ik dat het snel kan gaan. Het grote voordeel van deze draadloze patch is dat patiënten zich vrij rond kunnen bewegen terwijl ze worden gemonitord. De patch is niet alleen te gebruiken voor het monitoren van de hersenactiviteit van baby’s, maar bijvoorbeeld ook voor atleten die hun hartslag willen monitoren tijdens het trainen. Een ander groot voordeel van de patch en chip is dat de productie kosten laag zijn. Daardoor is de patch ook geschikt om in ontwikkelingslanden te gebruiken. De patch kan ook gebruikt worden om patiënten te monitoren zonder een dokter in de buurt te hebben.

Wat is je plan voor de toekomst?
We hebben een patent aangevraagd voor de chip en zullen misschien zelf een start-up opzetten. Op het moment is het nog wat te vroeg om dat te zeggen. Ik zal jullie op de hoogte houden!

Hoe slimme sensoren epilepsy kunnen voorkomen

In Delft en Rotterdam werken Wouter Serdijn en Christos Strydis samen aan een netwerk van sensoren en stimulatoren voor het lichaam. Door signalen op te pikken en razendsnel een wake-upcall naar de hersenen te sturen, hopen ze epileptische aanvallen te kunnen voorspellen en voorkomen. ‘Als we de lus kunnen sluiten, hebben we de techniek binnen drie jaar klaar.’

Epilepsie is een verzamelnaam voor aandoeningen in de hersenen, die ontstaan door een verandering in elektrische activiteit van de hersencellen. Deze neuronen worden ineens overactief en vuren hun elektrische signalen ongecontroleerd in de rondte. Soms leidt dat tot ‘kortsluiting’: aanvallen waarbij een patiënt het bewustzijn verliest of onwillekeurige spiersamentrekkingen krijgt. Dat kan leiden tot gevaarlijke situaties voor de ruim 200 duizend Nederlanders met epilepsie. Maar wat gebeurt er precies tijdens een epileptische aanval? Wat doen die overactieve hersencellen precies? En hoe kunnen we dat proces beïnvloeden? Wouter Serdijn, hoogleraar Bioelektronica aan de TU Delft, probeert antwoord op die vragen te krijgen door technologie te onderzoeken en te ontwerpen voor het monitoren, diagnosticeren en behandelen van epilepsie.

Bij een aanval staan alle neuronen tegelijkertijd te springen. Vooral bij grote aanvallen raken ze letterlijk uitgeput.

 

Onderonsje

‘Ken je de band Rage Against The Machine?’, vraagt Wouter. ‘Ik vergelijk epilepsie altijd met hun liedje Killing in the name of. Epilepsiedeskundigen verklaren me voor gek als ik deze vergelijking maak, maar dit is wel wat ik op de signalen zie. Bij het refrein staat iedereen alleen maar tegelijkertijd te springen.’ Bij een aanval gebeurt hetzelfde met de hersenactiviteit. Dat versterkt het signaal, wat de informatie-uitwisseling tot nul reduceert. De epileptische aanval is een feit.

Dat soort aanvallen zorgen voor een flinke daling van de kwaliteit van leven bij patiënten, zegt Wouter. ‘Al die 200 duizend Nederlanders mogen niet autorijden of zware machinerie besturen.’ Bovendien moeten ze constant oppassen tijdens hun dagelijkse bezigheden: ook stress of lichtflitsen kunnen een aanval uitlokken. Medicijnen werken bovendien niet altijd om aanvallen te voorkomen. ‘Vooral bij grote aanvallen gaan de hersencellen gewoon kapot. Ze raken letterlijk uitgeput en sterven af.’ Wouter zoekt daarom vanuit een technologische invalshoek naar oplossingen om het lichaam te helpen bij het voorkomen van die “eigenzinnige onderonsjes” tussen hersencellen.

Wake-upcall

Als hoogleraar Bioelektronica werkt Wouter aan technologie die de interactie aangaat met de elektriciteit in het lichaam, en probeert hij die te meten en te beïnvloeden. Maar voor epilepsie is dat makkelijker gezegd dan gedaan: je hebt er, net als bij een op en neer springende menigte, weinig vat op. De hele hersenschors – het gebied in de hersenen dat informatie ontvangt, interpreteert en analyseert – is bij het proces betrokken, zegt Wouter. ‘Dus wat je wil is een wake-upcall voor die hele hersenschors, die de natuurlijke communicatie herstelt zonder dat je hem stillegt.’

Samen met het Erasmus MC in Rotterdam onderzoekt hij de rol van de kleine hersenen, het cerebellum, als overbrenger van informatie. ‘Het cerebellum is verantwoordelijk voor de motoriek van ons lichaam en vertakt zich tot in alle delen van de hersenen. Die verbindingen kunnen ons helpen bij het sluiten van de lus: nauwkeurig detecteren waar en wanneer een aanval ontstaat, een interventie doen die alle delen van het brein bereikt, en vervolgens het effect meten van die interventie.’

Rocket science met patiënten

Een van die onderzoekers in het Erasmus MC die de brug vormt tussen kliniek en techniek, is Christos Strydis. Hij is een computeringenieur met Delftse roots, die werkt als Universitair docent bij de afdeling Neurowetenschappen. ‘Soms voel ik me net een vertaler,’ zegt Christos. ‘In Rotterdam is er kennis over de werking van de hersenen en de verbindingen tussen de verschillende hersenonderdelen, en in Delft heeft men ruime ervaring met het bouwen van technologische oplossingen.’ Christos moet beide talen spreken. ‘Sommige bioelektronische oplossingen die we bedenken voor de neurowetenschappen zijn geen rocket science, andere zijn dat welWij ingenieurs zouden nooit ervaring met patiënten kunnen opdoen als we in Delft zouden blijven.’

Als wij ingenieurs allemaal in Delft zouden blijven hangen, zouden we nooit ervaring met patiënten hebben.

 

Vanuit dat idee zetten Wouter en Christos samen een platform op, waarbij ze het medische vraagstuk rond epilepsie beantwoorden vanuit ingenieursperspectief. Ze kregen er een beurs voor vanuit Delft Health Initiative. Hun project, ECLEPSys (Ensemble, Closed-Loop, Epilepsy-Prevention System), bestaat uit een prototype voor een sensornetwerk, dat bestaat uit implanteerbare en draagbare sensoren en stimulatoren. De eerste groep meet signalen uit de hersenen, de tweede koppelt een signaal terug het lichaam in. Dat signaal moet de hersencellen op zo’n manier stimuleren dat ze weer in de pas gaan lopen.

‘Het is eigenlijk hartstikke logisch dat neurowetenschappers en ingenieurs samen optrekken,’ zegt Wouter Serdijn. Hij is hoogleraar Bioelektronica aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica van de TU Delft. Zijn hele wetenschappelijke carrière speelde zich af in Delft: van zijn masterdiploma tot zijn benoeming als hoogleraar. ‘Ik ben een Delftse jongen. Op een bepaalde manier is dat eigenlijk best saai. Maar ik vind het gewoon een geweldige plek.’ Wouter is een van de weinige ingenieurs met een aangeboren interesse in medische technologie. Vanuit zijn expertise in de bioelektronica werkte hij onder andere aan pacemakers, gehoorimplantaten en neurostimulators.

‘Jij noemt het saai, maar je hebt wel al flink wat kilometers op de teller staan,’ zegt Christos Strydis. Hij behaalde zijn masterdiploma Computer Engineering in Griekenland. Zijn carrière in de neurowetenschappen kwam op stoom in Delft, waar hij zijn ingenieursdiploma behaalde en promoveerde. Sindsdien werkt hij als universitair docent op de afdeling Neurowetenschappen bij het Erasmus MC in Rotterdam. Daar vormt hij als ingenieur een brug tussen neurowetenschappen en technologie. Christos kreeg onlangs samen met Wouter een beurs van het Delft Health Initiative voor het uitwerken van het ECLEPSys-project in het kader van Convergence, het samenwerkingsprogramma tussen de TU Delft en het Erasmus MC in Rotterdam.

Zandbak

ECLEPSys behelst het bouwen van een compleet medical body area network (MBAN). Dat is een deels draadloos netwerk van nodes, knooppunten met elk een eigen taak: sensoren, stimulatoren en een computer die de signalen op elkaar afstemt. Een MBAN is doelmatiger dan bestaande technologie, omdat wordt gemeten, bijgestuurd en gerekend op of bij het lichaam. Vooral bij epilepsie kan ECLEPSys daarom een verschil maken, maar Christos denkt groter. ‘Het MBAN kan ook worden toegepast voor de behandeling van andere aandoeningen: hartritmestoornissen, Parkinson, migraine of oorsuizen. We willen laten zien dat het mogelijk is om patiënten te helpen door machine learning en algoritmes toe te passen op biosignalen.’ ECLEPSys moet je zien als een zandbak, waarin ideeën kunnen worden getest. ‘Daarbij kun je denken aan nieuwe sensoren, nieuwe vormen van stimulatie en manieren om data te analyseren. Maar ook dataveiligheid valt binnen dit project.’

Voor epilepsiepatiënten moet ECLEPSys leiden tot een nieuwe behandelmethode, gecombineerd met medicijnen. ‘Mijn verwachting is dat we hiermee epilepsie kunnen onderdrukken of controleren,’ zegt Wouter. ‘Het mooie aan deze vorm van neurostimulatie is dat je het aanzet en dat het dan gelijk werkt. En andersom: dat het direct stopt als je het niet meer wilt. Dat maakt de behandeling persoonlijk en gericht. Zo snel zijn medicijnen nooit: die weten niet waar ze in het lichaam naartoe moeten.’

Werk aan de winkel

Maar zover is het nu nog niet, zegt Wouter. ‘We hebben wel al een systeem dat epileptische aanvallen kan detecteren en onderdrukken, maar dat werkt alleen nog bij muizen. Hun cerebellum heeft veel overeenkomsten met dat van een mens.’ Door de hersengolven te meten en het cerebellum te stimuleren, konden Wouter en Christos een epileptische aanval elders in de hersenen onderdrukken. Daarmee is aangetoond dat het principe werkt, zegt Wouter. ‘We konden binnen 0,4 seconden detecteren dat er een aanval aankwam en hem de kop indrukken.’

Maar voordat patiënten met epilepsie weer veilig achter het stuur kunnen kruipen, is er nog een hoop werk aan de winkel. Zo is het energiebeheer van de sensoren en stimulatoren nog niet optimaal. Bovendien is de techniek die Wouter en Christos gebruiken nog niet vrijgegeven voor mensen. ‘Ons systeem is nog geen netwerk. We werken aan andere manieren om signalen in de hersenen te krijgen. En in plaats van hersenfilmpjes werken we aan andere soorten feedback. We weten dat het lichaam signalen geeft voordat een aanval begint: zweten, verwijde pupillen of een verhoogde hartslag. Die informatie moeten we leren gebruiken.’

Er is bij patiënten een grote variabiliteit. Dat vraagt om een andere aanpak.

 

Vertalen

Voordat Wouter en Christos het systeem bij patiënten kunnen testen, willen ze het eerst zo efficiënt mogelijk maken. De samenwerking tussen Rotterdam en Delft is daarbij essentieel: het realisme van de medische experts in Rotterdam houdt de Delftse ingenieurs met hun getting things done-mentaliteit in toom. ‘Zonder contact met het Erasmus zouden we nooit zover zijn,’ zegt Wouter. ‘Ingenieurs geloven heilig in de kracht van de herhaling. Als we iets twee keer hetzelfde maken, moet het ook hetzelfde werken. Maar bij patiënten gaat dat principe niet op. Er is een grote variabiliteit tussen patiënten, zelfs bij dezelfde patiënt op andere tijdstippen. Dat vraagt om een andere aanpak.’

Bovendien gaat het niet alleen om de techniek, vult Christos aan. ‘Als je dit naar mensen brengt, moet je eerst discussies voeren over ethiek en kwaliteit van leven. Je kunt hersenactiviteit niet overal op het lichaam meten. Wil je een patiënt wel opzadelen met allerlei sensoren op zijn hoofd?’ Toch denkt Wouter dat de techniek achter ECLEPSys binnen afzienbare tijd te vertalen is naar de mens. ‘Met broddelwerk kun je niet bij mensen aankomen. Maar ik ben optimistisch. Als we epileptische aanvallen kunnen voorspellen met de juiste signalen, kunnen we de lus sluiten. Dan hebben we de techniek binnen drie jaar wel klaar.’

Tekst: Koen Scheerders | Portretfoto: Mark Prins

How smart sensors can prevent epilepsy

In Delft and Rotterdam, Wouter Serdijn and Christos Strydis are collaborating on a network of sensors and stimulators for the body. By picking up signals and sending the brain a rapid wake-up call, they hope to be able to predict and prevent epileptic fits. ‘If we can close the loop, we’ll have the technology ready within three years.’

Epilepsy is a collective name for disorders of the brain caused by a change in the brain cells’ electrical activity. These neurons suddenly become overactive, firing their electric signals uncontrollably. This sometimes results in a ‘short-circuit’: seizures where a patient loses consciousness or has involuntary muscular spasms. For the more than 200,000 Dutch people with epilepsy, this can be very dangerous. But what exactly happens during an epileptic fit? What exactly do the overactive brain cells do? And how can we influence that process? Wouter Serdijn, Professor of Bioelectronics at TU Delft, is trying to answer these questions by researching and designing technology for monitoring, diagnosing and treating epilepsy.

In a fit, all the neurons start jumping at the same time. In major seizures especially, they literally become exhausted.

 

Get-together

‘Do you know the band Rage against the Machine?’ asks Wouter. ‘I always compare epilepsy to their song Killing in the name of. Epilepsy experts say I’m mad for making the comparison, but that’s what the signals remind me of. In the chorus, everyone’s jumping all over the place.’ That’s what happens with brain activity during a seizure. It amplifies the signal, reducing the exchange of information to zero. The result is an epileptic fit.

That kind of seizure can really affect patients’ quality of life, says Wouter. ‘All of those 200,000 Dutch people are prohibited from driving or using heavy machinery.’ They also need to exercise constant caution in their day-to-day lives: stress or flashes of light can trigger a seizure. In addition, drugs are not always successful in preventing seizures. ‘In major seizures, the brain cells simply break down. They literally become exhausted and die.’ Wouter is therefore applying a technological perspective in his search for solutions that could help the body prevent these “wayward get-togethers” between brain cells.

Wake-upcall

As Professor of Bioelectronics, Wouter is working on technology that interacts with the electricity in the body, attempting to measure and influence it. But, for epilepsy, that’s easier said than done: just like with the crowd jumping up and down, you have little control over it. The entire cerebral cortex – the area of the brain that receives, interprets and analyses information – is involved in the process, says Wouter. ‘So, what you need is a wake-up call for the whole cerebral cortex that can restore normal communication without bringing it to a standstill.’

Together with the Erasmus MC in Rotterdam, he is conducting research into the role of the cerebellum in conveying information. ‘The cerebellum regulates the body’s motor movements and it branches into all parts of the brain. These connections can help us to close the loop: accurately detecting where and when a seizure develops, making an intervention that can reach all parts of the brain and then measuring the effect of that intervention.’

Rocket science with patients

Christos Strydis is one of the researchers of Erasmus MC who is bridging the gap between the clinic and the technology. A computer engineer with roots in Delft, he works as an assistant professor in the Neurosciences department. ‘I sometimes feel like a translator,’ says Christos. ‘In Rotterdam, there’s a lot of knowledge about brain function and how the different parts of the brain interconnect and the people in Delft have a lot of experience in building technological solutions.’ Christos has to speak both languages. ‘Some of the bioelectronic solutions we devise for neurosciences are not rocket science, but others are. If we stayed in Delft, we engineers would never be able to gain experience with patients.’

If we engineers all stayed in Delft, we would never have experience with patients.

 

With that in mind, Wouter and Christos are setting up a platform to explore the medical issues surrounding epilepsy from an engineering perspective. They have received a grant from the Delft Health Initiative for their work. Their project ECLEPSys – Ensemble, Closed-Loop, Epilepsy-Prevention System – consists of a prototype for a sensor network made up of implantable and wearable sensors and stimulators. The first group measures signals from the brain and the second links a signal back into the body. The idea is that the signal should stimulate the brain cells in such a way that they revert back to normal.

‘It’s actually totally logical for neuroscientists and engineers to join forces,’ says Wouter Serdijn. He is Professor of Bioelectronics in TU Delft’s Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science. He has spent his academic career in Delft: from his Master’s degree to his appointment as professor. ‘I’m a Delft boy. In some ways that’s actually quite boring. But I just think it’s an amazing place.’ Wouter is one of the few engineers with an innate interest in medical technology. He applies his expertise in bioelectronics to his work on such areas as pacemakers, hearing implants and neurostimulators.

‘You call it boring, but you have quite a few miles on the clock,’ says Christos Strydis. He did his Master’s degree in Computer Engineering in Greece. His career in neurosciences took off in Delft, where he qualified as an engineer and completed a doctorate. Since then, he has worked as an assistant professor in the Neurosciences department at Erasmus MC in Rotterdam. As an engineer there, he forms a bridge between neurosciences and technology. Together with Wouter, Christos was recently awarded a grant by the Delft Health Initiative to develop the ECLEPSys project as part of Convergence, the joint programme of TU Delft and Erasmus MC in Rotterdam.

Sandpit

ECLEPSys involves building a complete medical body area network (MBAN). This is a partly wireless network made up of nodes, each with its own task: sensors, stimulators and a computer that coordinates the signals with each other. An MBAN is more effective than existing technology because it is measured, adjusted and calculated on or next to the body. ECLEPSys can therefore make a difference in epilepsy in particular, but Christos has even bigger ideas. ‘The MBAN could also be used to treat other disorders: heart arrhythmia, Parkinson’s, migraine or tinnitus. We aim to demonstrate that it is possible to help patients by applying machine learning and algorithms to biosignals.’ ECLEPSys can be compared to a sandpit, where ideas can be tested. ‘Examples could include new sensors, new forms of stimulation and ways of analysing data. But the project also encompasses data security.’

For epilepsy patients, it is hoped that ECLEPSys will bring about a new treatment method, combined with drugs. ‘I expect that this will enable us to suppress or control epilepsy,’ says Wouter. ‘The great thing about this type of neurostimulation is that you just switch it on and it works immediately. And vice-versa: you stop if you no longer want it. That makes treatment personal and targeted. Drugs can never be so fast: they don’t know where in the body they’re supposed to go.’

Work to be done

But that is still some way off, says Wouter. ‘We already have a system that can detect and suppress epileptic fits but it only works with mice at the moment. Their cerebellum is very similar to that of humans.’ By measuring brainwaves and stimulating the cerebellum, Wouter and Christos were able to suppress an epileptic fit elsewhere in the brain. That demonstrates that the principle works, says Wouter. ‘We were able to detect that a fit was coming within 0.4 seconds and stop it.’

But before epileptic patients can start driving again, there’s still a lot of work to be done. The energy management of the sensors and stimulators requires improvement, for example. The technique that Wouter and Christos are using has still not been cleared for use on humans. ‘Our system is still not a network. We’re working on other ways of getting signals into the brain. Instead of EEGs, we’re working on different types of feedback. We know that the body sends signals before a fit starts: sweating, dilated pupils or an increased heartbeat. We need to learn to use that information.’

There is significant variability between patients. That calls for a different approach.

 

Translating

Before Wouter and Christos can use the system on patients, they aim to make it as efficient as possible first. The collaboration between Rotterdam and Delft is essential in this: the realism of the medical experts in Rotterdam keeps the Delft engineers and their get-things-done mentality in check. ‘We would never have made such progress without our contact with Erasmus,’ says Wouter. ‘Engineers believe in the power of repetition. If we make something twice the same way, it also needs to work the same way. That principle does not work on patients. There is significant variability between patients, and even in the same patient at different times. That calls for a different approach.’

Besides that, it’s not only about the technology, adds Christos. ‘Before rolling this out to more people, you have to discuss such issues as ethics and quality-of-life. You cannot measure brain activity everywhere in the body. Do you really want to burden a patient with all kinds of sensors on his head?’ Despite this, Wouter thinks that the technology behind ECLEPSys can be translated for human use within the foreseeable future. ‘You cannot apply substandard work on people. But I’m still optimistic. If you can predict epileptic fits with the right signals, we can close the loop. Then we’ll have the technology up-and-running within three years.’

Text: Koen Scheerders | Portrait photo: Mark Prins

Het medicijn van de toekomst slik je maar één keer en is bio-elektronisch | BNR Nieuwsradio

Door Karlijn Meinders

Deze hele week bespreken we ontwikkelingen in de geneeskunde. Met vandaag kleine elektronische apparaatjes, die precies weten wanneer het lichaam wat nodig heeft: als het aan onderzoekers ligt duurt het niet lang meer of dit slimme persoonlijke medicijn van de toekomst is realiteit. Je kunt het vergelijken met een pacemaker, maar dan flink wat kleiner. Een apparaatje dat zenuwcellen stimuleert om mensen van klachten af te helpen. Parkinson wordt zo al deels behandeld, maar in de toekomst moet dit ook werken voor iets als migraine, autisme, depressie of epilepsie.

De grootste uitdagingen zitten hem nog in het materiaal en formaat van het apparaatje en de benodigde stroomvoorziening, maar de ontwikkelingen gaan hard. Zo zou dit mini-pacemakertje dat veilig in de hersenen geplaatst kan worden straks wel eens draadloos opgeladen kunnen worden door iets dat in je oorbel, aan een ketting of onder een petje past.

In deze audio hoor je onderzoeker Wouter Serdijn van de TU Delft. Lees hier meer over zijn onderzoek.

Twelve new Medical Delta projects

Medical Delta, the collaboration between TU Delft, Leiden University, LUMC and Erasmus MC Rotterdam, started 12 new projects to develop solutions for sustainable healthcare.

The programmes combine the knowledge and expertise of three universities and two university medical centres to address important societal healthcare challenges such as dementia, helping the elderly stay mobile as long as possible, and the regeneration of tissues with stem cells. They will receive almost EUR 400,000 each. Delta spoke to six of the Delft scientists involved.

Neurodelta
Professor Wouter Serdijn of the Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science is involved in two of the projects. The first is called NeuroDelta: Ambulant Neuromonitoring for Prevention and Treatment of Brain Disease. Brain disorders that involve multiple brain regions are notoriously difficult to treat and impose a huge burden on society. Examples are migraine and autism. The NeuroDelta Consortium will try to tackle these disorders.

Wouter Serdijn: “We will develop a first-of-a-kind arrhythmia-on-a-chip model.” (Photo: Sam Rentmeester)

“One of the main problems is that many patients suffering from these brain disorders are diagnosed relatively late. In the current project, we will develop and evaluate a system for mouse models suffering from these types of disorders, paving the way for clinical applications. More specifically, we will develop a device that will allow us to monitor and modulate activity simultaneously in multiple brain regions of freely-moving animals. This will lead to a better understanding of network phenomena in the brain and the development of better treatment modalities for two disorders that lead to deficits in individual and social behavior: migraine and autism.”

The second project Serdijn works on is the Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab.

Heart arrhythmia is a group of conditions in which the heartbeat is irregular, too fast, or too slow. The mission of the Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab is to decrease the cardiac arrhythmia burden by providing patient-tailored therapy. “To this end, we plan to design and test novel bio-electronic diagnostic tools. We will develop a first-of-a-kind arrhythmia-on-a-chip model to study arrhythmia mechanisms, identify novel therapeutic targets and test innovative therapies.”