‘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.

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.’

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 wel. Wij ingenieurs zouden nooit ervaring met patiënten kunnen opdoen als we in Delft zouden blijven.’

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.

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.’

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

‘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.

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.’

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.’

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.

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.’

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