HOE BENADER JE EEN NEURON?

STUDENT IN DE KIJKER

Onze hersenen bevatten miljarden onderling verbonden neuronen die onwaarschijnlijk grote hoeveelheden informatie verwerken. Om hersenaandoeningen zoals Alzheimer en Parkinson te kunnen behandelen, is het noodzakelijk om de signalen van en tussen de neuronen te meten. In haar masterproef ontwikkelde Kaat Van Assche hiervoor een trefzekere methode. Het leverde haar een welverdiende tweede prijs op van de ingenieursvereniging ie-net.

Kaat studeerde in 2022 af als ingenieur Elektromechanica op Campus Groep T. Dat ze voor de internationale opleiding zou kiezen, stond in de sterren geschreven. Als kind verbleef ze twee jaar in Shanghai en als tiener liep ze school in het Engelse Bath waar ze een Engineering Education Scheme volgde als aanloop naar de ingenieursstudie. Eenmaal in Leuven bleef het buitenland haar wenken. In het derde bachelorjaar studeerde ze een semester aan de National University van Zuid-Korea in Seoul. Ook Kaats keuze voor de optie Clinical Engineering lag in de lijn van de verwachtingen. “De impact van de technologie in de gezondheidszorg wordt met de dag groter. Een sprekend voorbeeld hiervan zijn de robots die almaar meer en vaker chirurgen ondersteunen door hun taken te vereenvoudigen of door ingrepen mogelijk te maken die tot voor kort niet uitvoerbaar waren”.

Voor haar masterproef ging Kaat haar licht opsteken bij de onderzoeksgroep Robotica, Automation & Mechatronics van de professoren Kathleen Denis en Manu Vander Poorten. Deze groep ontwikkelt en valideert instrumenten en technologieën voor de medische sector, waaronder implantaten en robotica-toepassingen. In Yao Zhang, een beginnende doctoraatsstudent, vond Kaat een perfecte ‘sparringpartner’ en coach. “Yao is bezig met de ontwikkeling van een robot-geassisteerd systeem om zo precies mogelijk de elektrofysiologische activiteit van hersenneuronen te meten”, legt Kaat uit. “Deze in vivo targeting gebeurt nu nog grotendeels manueel, maar niet altijd met succes. De kans om mijn steentje bij te dragen aan dit bijzonder onderzoeksproject heb ik direct met beide handen aangegrepen”.

Weerstand

Kaats opdracht bestond erin de techniek te optimaliseren om de neuronen in de hersenen preciezer te benaderen. “In het vakjargon heet dat ‘patch clamping’. Daarbij wordt geprobeerd om een micropipet te bevestigen aan het membraan van een neuron. Het lokaliseren en benaderen van een neuron is een delicate en tijdrovende klus. Neuronen zijn niet alleen superklein, ze zijn daarenboven ook nog voortdurend in beweging door de hartslag en de ademhaling. Dit maakt hen bijzonder kwetsbaar”.

De oplossing vond Kaat in de zgn. impedantiemeting of het registreren van elektrische weerstand. “Bij impedantie wordt de lineaire respons gemeten op een tijdsafhankelijk signaal. Op die manier kan de afstand tussen enerzijds de pipet en anderzijds het neuron ingeschat worden. Tijdens de experimenten tekende zich een duidelijke tendens af. Eerst was er een lineaire afname van de impedantie.

Onder deze drempel zagen we een exponentieel toenemende weerstand tot op het moment dat de pipet effectief contact maakte met het neuron en de impedantie een plateau bereikte. Dat leverde het bewijs dat impedantiemeting een nuttig instrument is bij het benaderen en aanraken van het hersen-oppervlak”.

Kaat Van Assche

© Julie Feyaerts

Het probleem van de onstabiele neuronen kreeg Kaat onder controle via een algoritme dat de beweging compenseert die de hartslag teweegbrengt. “Het algoritme gebruikt de weerstandsmeting om de frequentie en de fase van de beweging in te schatten en stuurt dan een compenserende impuls naar de pipet. De overgang tussen de lineaire impedantiedaling en de exponentiële toename kan worden gebruikt als een marker die de bewegingscompensatie in gang zet. Zodoende kan de pipet veilig en efficiënt het doelneuron patchen”.

Automatiseren

Kaats methode van afstandsmeten gecombineerd met het algoritme om de fysiologische bewegingen in de hersenen te compenseren maakt het mogelijk om op termijn de benadering van een neuron te automatiseren en een volledig robotisch ‘patch clamping’ proces te creëren.

“De voordelen hiervan zijn legio”, besluit Kaat. “Om te beginnen zullen de experimenten sneller en efficiënter verlopen en tot nauwkeuriger resultaten leiden. Nog belangrijker is dat de wetenschappers zich helemaal kunnen concentreren op het eigenlijke doel van het onderzoek: de ontwikkeling van afdoende therapieën voor de meest voorkomende hersenaandoeningen”.

Promotor: prof. Manu Vander Poorten

Yves Persoons