27 oktober 2021

Onderzoekers van het UMC Utrecht hebben de MRI-scanner een nieuwe truc geleerd. Het apparaat kan daarmee in kaart brengen hoe de hersenen onder invloed van de hartslag licht pulseren. Het kloppen van het brein is een fascinerend verschijnsel waar we nog maar weinig van weten. Waarschijnlijk speelt het onder meer een belangrijke rol bij het opruimen van afvalstoffen, en daarmee bij het voorkomen van hersenziekten zoals de ziekte van Alzheimer. Jacob-Jan Sloots promoveert op 26 oktober op dit onderwerp bij het UMC Utrecht.

Met elke hartslag stroomt er bloed naar de microscopisch kleine haarvaten in de hersenen. Hersenweefsel zwelt daardoor tijdelijk een heel klein beetje op, waardoor het brein net als het hart lijkt te kloppen. Het is bekend dat dit verschijnsel bestaat, maar tot nu toe is er nauwelijks onderzoek naar gedaan. “In studies naar hersenactiviteit wordt de hartslag juist standaard uit de data gefilterd, omdat het als ruis wordt beschouwd”, zegt onderzoeker Jaco Zwanenburg van UMC Utrecht Hersencentrum. Zelf ziet de onderzoeker, die is opgeleid als natuurkundige, dat anders. “Mechanica speelt een belangrijke rol bij veel biologische processen. De stijfheid en structuur van de ondergrond waarop stamcellen groeien, bepaalt bijvoorbeeld tot wat voor cellen ze zich ontwikkelen.” 

Jacob en Jaco

Jacob-Jan Sloots en Jaco Zwanenburg

Ritmisch meten
Ook het kloppen van het brein heeft een functie, denkt Zwanenburg. Misschien zelfs meerdere functies. Het ligt bijvoorbeeld voor de hand dat het fenomeen belangrijk is voor de opruiming van afvalstoffen. Die mengen zich met het hersenvocht, dat vervolgens wordt afgevoerd. “De pulsatie van het brein is alsof je een theezakje in heet water doopt. Zonder het dopen zou de thee zich ook met het water mengen, maar de beweging versnelt het proces aanzienlijk.” Omdat een efficiënte afvoer van afvalstoffen essentieel is voor een gezond brein, en omdat de ophoping van afvalstoffen verband houdt met hersenziekten, is een goed begrip van hoe dit proces werkt belangrijk. Maar tot nu toe was er geen goede methode om hersenweefselvervorming in kaart te brengen. 

MRI-scanners kunnen de minuscule bewegingen van hersenweefsel, die met het blote oog niet zichtbaar zijn, detecteren. Alleen zijn standaard hersenscans er niet op gebouwd om op het ritme van een menselijke hartslag te meten. Jacob-Jan Sloots, die zijn promotieonderzoek in de groep van Zwanenburg deed, loste dat probleem op. Hij ontwikkelde slimme software die gevoelige MRI-scanners in staat stelt om de vervorming van het brein, onder invloed van de hartslag, in de tijd te meten. Vervolgens testte hij de nieuwe MRI-software met proefpersonen. “Uit die tests kwam naar voren dat de hersenen vervormen als een elastiekje dat je uitrekt”, vertelt Sloots. “In één richting zet het weefsel uit, terwijl het in de richting die daar haaks op staat juist wat inkrimpt. Dat is een bekend fysisch fenomeen en heet het Poisson-effect. We wisten nog niet dat dit ook in de hersenen plaatsvindt.”  

Beter begrip
Door de uitbreiding van de mogelijkheden van MRI kunnen onderzoekers nu op een nieuwe, niet-invasieve manier naar weefselvervorming in de hersenen kijken. “In feite hebben we een compleet nieuw platform voor hersenonderzoek gebouwd”, aldus Zwanenburg. “We hopen dat deze techniek leidt tot nieuwe inzichten in de processen die zich in het brein afspelen, en een beter begrip van het ontstaan van hersenziekten zoals de ziekte van Alzheimer. In de tussentijd willen de onderzoekers hun software nog verder verfijnen, en werken aan methodes om uit deze metingen informatie over het hersenweefsel te kunnen halen, zoals de stijfheid van het weefsel. Jaco Zwanenburg heeft onlangs een Vici-beurs van 1,5 miljoen euro ontvangen, waarmee zijn groep de komende jaren verder kan werken aan deze uitdaging.

Door MRI gemaakte beelden van hersenen

Deze afbeelding toont de vervorming van hersenweefsel bij gezonde vrijwilligers. De eerste twee kolommen met afbeeldingen zijn van een individu. De derde en vierde kolom met afbeeldingen tonen het gemiddelde resultaat over 9 vrijwilligers, waardoor de afbeeldingen er gladder uitzien (met minder ruis). De eerste rij geeft de anatomie van de hersenen weer als referentie. De tweede en derde rij laten de weefselexpansie en de tegelijk optredende weefselcompressie zien. Hierbij geeft de intensiteit de grootte van de expansie/compressie aan en de kleuren de richting: rood is rechts-links (RL), groen voor-achter (VA) en blauw is de richting voet-hoofd (VH). De netto toename (geel) of afname (blauw) van het weefselvolume is weergegeven in de onderste rij. De afbeeldingen van de weefselexpansie (tweede rij) laten mooi zien hoe het weefsel bij gezonde personen uitrekt naar het centrum van het brein. 

Bron: UMC Utrecht