Als hersencellen te weinig energie krijgen, door een trauma of beroerte, kunnen ze snel gaan zwellen. Wiskundige modellen, ontwikkeld door UT-promovendus Koen Dijkstra, laten zien dat er een omslagpunt is: bij nóg lagere energie is er geen weg terug.
Krijgen hersencellen onvoldoende energie, dan is er het gevaar dat ze gaan zwellen. Ze nemen dan vocht op dat zich normaal tússen de cellen bevindt. Deze vochtstapeling is gevaarlijk: zelfs als de energietoevoer wordt hersteld, kan er intussen blijvende schade zijn opgetreden. Dijkstra heeft het mechanisme onderzocht met wiskundige modellen die de biofysica van een enkele cel beschrijven.
Kritiek punt
Uit zijn simulaties blijkt dat er een kantelpunt in het energieniveau is aan te geven: vanaf dat punt treedt snelle zwelling op. Zijn op een hersenscan gebieden te zien met deze lage energieniveaus, dan is het in de meeste gevallen al te laat. Dijkstra laat ook zien dat op een eerder moment nog een interventie mogelijk is die de zwelling tegengaat: het tijdelijk blokkeren van de natriumkanalen, zoals bijvoorbeeld ook gebeurt bij de behandeling van epilepsie.
Enkele cel
Door de vele interacties tussen hersencellen is het modelleren van de energiehuishouding in de hersenen zeer complex. Dit wordt echter vereenvoudigd doordat de neuronen, als er een zuurstoftekort optreedt, als eerste gaan ‘bezuinigen’ op communicatie. Dat maakt het mogelijk om het model te vereenvoudigen tot op celniveau en daarmee een goede simulatie uit te voeren.
Epilepsie
Dijkstra heeft daarnaast ook grootschaliger modellen ontwikkeld, die de verbindingen wél meenemen en niet alleen op de individuele cellen. Hiermee heeft hij bijvoorbeeld onderzoek gedaan naar hersengebieden die verschillend functioneren tijdens het optreden van epileptische aanvallen: rondom de kleine ‘kern’ die zeer actief is, met hersencellen die ‘vuren’ op met hoge frequenties, blijkt er een groot tweede gebied aan te wijzen dat laagfrequente activiteit laat zien.
Dijkstra’s modellen, op verschillende schalen, geven de neuroloog meer informatie over onderliggende processen en kunnen richting geven aan nieuwe behandelingsmogelijkheden.
Applied Mathematics
Het onderzoek illustreert ook de brede mogelijkheden van de UT-opleiding Applied Mathematics: wiskundige modellen geven meer inzicht in tal van toepassingen. Of het nu in de medische wereld is, in de techniek of in complexe bestuurlijke vraagstukken, wiskundigen dragen bij aan het vinden van nieuwe oplossingen.
Samenwerking neuroFYsiologie
Dijkstra heeft zijn onderzoek gedaan in de groep Applied Analysis van prof. Stephan van Gils, in nauwe samenwerking met de groep Clinical Neurophysiology van prof. Michel van Putten, die ook neuroloog is in het Medisch Spectrum Twente in Enschede. De beide onderzoeksgroepen werken samen in het MIRA Instituut voor Biomedische Technologie en Technische Geneeskunde van de UT. De verdediging van het proefschrift ‘From single cell to neural field – Dynamics on different scales’ vindt plaats op 24 maart.
