Het kleine gebiedje in de hersenen waar een epileptische aanval begint, beïnvloedt een veel groter gebied, tot zeker tien centimeter verderop. Die activiteit verderop in de hersenen heeft, op zijn beurt, weer invloed op de epileptische ‘haard’, blijkt uit onderzoek van wiskundigen en neurologen van de Universiteit Twente en de University of Chicago.
De onderzoekers beschrijven de wisselwerking in hun paper in PNAS (de Proceedings of the National Academy of Sciences). Bij een grote, ‘gegeneraliseerde’ epileptische aanval, vaak met verlies van bewustzijn, is bekend dat een groot gebied van de hersenen betrokken is. Maar uit het nieuwe onderzoek blijkt dat ook bij partiële of ‘focale’ aanvallen de activiteit niet beperkt blijft tot een klein gebied. Zo’n focale aanval kan tot gevolg hebben dat de patiënt opeens moeite heeft met spreken, spiertrekkingen vertoont of afwezig overkomt. Het actieve gebiedje zit dan bijvoorbeeld in of bij het taalcentrum of de motorische hersenschors. Toch is ook in deze gevallen activiteit te meten in een groot deel van de neocortex – de buitenste laag van de grote hersenen. Dat blijkt uit zowel modelberekeningen als metingen in patiënten met focale epilepsie.
Golffront
De neuronen aan de rand van de epilepsie-haard vuren heftig, zoals verwacht. Dit effect zou heel lokaal kunnen blijven, maar al in het sub-millimetergebied gaat de activiteit zich verder verspreiden: er vormt zich een uitdijend golffront van zeer actieve neuronen. Dit kan gebeuren doordat de omliggende neuronen de verspreiding niet tegengaan: de ‘ inhibitie’ werkt niet normaal meer.
Video: links de spike-activiteit in de haard van de epileptische aanval, rechts de laagfrequente activiteit verderop in het brein
Tegelijk met deze hoogfrequent vurende neuronen in de epilepsiehaard, zijn verderop in de neocortex afwijkende golven te meten met een frequentie van rond de 6 hertz. Wiskundige modellen tonen nu voor het eerst aan dat beide typen hersenactiviteit gecorreleerd zijn. Er zijn dus twee interacterende gebieden: de focale epileptische haard wakkert activiteit aan verderop in de hersenschors en de golfbeweging die terugkeert naar de haard, heeft zijn effect op het vuren zélf. Het onderzoek geeft nog geen uitsluitsel over hoe een aanval stopt, maar de nu aangetoonde interacties kunnen een aanknopingspunt zijn om dit te beïnvloeden.
Micro-array en ECoG
Om hun wiskundige modellen te voeden met real-life data, hebben de onderzoekers gebruik kunnen maken van bestaande patiëntendata van Columbia University Medical Center. Meting van lokale epileptische activiteit is daar mogelijk met een tijdelijk geïmplanteerde ‘Utah array’, 96 micro-elektroden op 4 bij 4 millimeter. Hiermee kunnen metingen van relatief zeer kleine groepjes neuronen (sub mm) worden verricht. Dit is aangevuld met simultaan gemeten data uit een ‘Electrocorticogram’ (ECoG), waarmee metingen van neuronale activiteit op een schaal van centimeters mogelijk zijn. Anders dan een EEG, meet een ECoG de activiteit direct op het hersenoppervlak. Dit zijn technieken die aan de basis staan van epilepsiechirurgie, om het gebied dat primair verantwoordelijk is voor de epileptische aanvallen zo goed mogelijk te localiseren en zo mogelijk chirurgisch te verwijderen.
Vanuit de Universiteit Twente waren betrokken de groep Non-linear Analysis van prof. Stephan van Gils (faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica) en de groep Clinical Neurophysiology van prof Michel van Putten (faculteit Technische Natuurwetenschappen. Van Putten is ook als neuroloog verbonden aan het Medisch Spectrum Twente in Enschede.
Het paper ‘The cross-scale effects of neural interactions during human neocortical seizure activity’ door Tahra Eissa, Koen Dijkstra, Christoph Brune, Ronald Emerson, Michel van Putten, Robert Goodman, Guy McKhann, Catherine Schevon, Wim van Drongelen and Stephan van Gils, verschijnt op 18 september in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).
