TU/e - Technische Universiteit Eindhoven

01/24/2025 | Press release | Distributed by Public on 01/24/2025 04:23

AI-model voorspelt cognitieve gevolgen van verwijderen hersentumor

AI-model voorspelt cognitieve gevolgen van verwijderen hersentumor

24 januari 2025

Lars Smolders ontwikkelde een AI-model om cognitieve problemen te voorspellen die een patiënt kan ervaren nadat een hersentumor is verwijderd.

Beeld: Lars Smolders

Patiënten met een glioom, een type kwaadaardige hersentumor, kunnen na een operatie last krijgen van cognitieve problemen. Het werkelijke effect van chirurgie op complexe cognitieve taken is echter niet bekend. Om de mogelijke effecten van een hersenoperatie op cognitieve taken te voorspellen, ontwikkelde promovendus Lars Smolders een AI-model. Het model gebruikt MRI-beelden van neurale verbindingen in de hersenen van de patiënt die vóór de operatie zijn gemaakt.

Het verwijderen van een kwaadaardige hersentumor of glioom kan het leven van een patiënt met vele jaren verlengen, afhankelijk van het type glioom. Het kan echter ook het begin zijn van nieuwe gezondheidsproblemen.

"Veel patiënten krijgen last van cognitieve problemen nadat hun hersentumor is verwijderd. Denk aan concentratieproblemen en moeite met het uitvoeren van complexe taken", zegt Lars Smolders, promovendus bij de faculteit Mathematics and Computer Science die op 7 januari zijn proefschrift verdedigde.

Lars Smolders

Moeilijk te voorspellen

"Deze cognitieve stoornissen leiden tot grote problemen in het dagelijks leven van behandelde patiënten, waardoor hun kwaliteit van leven ernstig afneemt", merkt Smolders op.

"Hoewel neurologische problemen zoals gedeeltelijke verlamming en verlies van gezichtsvermogen goed worden begrepen, is het effect van chirurgie op complexere cognitieve functies niet goed bekend. Bovendien is het moeilijk om vooraf te voorspellen hoe individuele patiënten uit een operatie komen."

Cognitieve problemen leiden tot grote problemen in het dagelijks leven van behandelde patiënten.

Promovendus Lars Smolders

AI-model

Om te helpen voorspellen hoe een patiënt met een kwaadaardige hersentumor cognitieve taken uitvoert na een operatie, ontwikkelden Smolders en zijn medewerkers een AI-model.

De hersenen zijn in belangrijke mate afhankelijk van neuronen die langeafstandsbundels van zogenaamde witte stof vormen die delen van de hersenen fysiek met elkaar verbinden.

Voorbeeld van een glioom in de hersenen. Bron: Lars Smolders

MRI voor de operatie

"Als invoergegevens voor het model hebben we belangrijke structurele details geïsoleerd van die grote witte-stofverbindingen in de hersenen die zichtbaar zijn in MRI-beelden van de hersenen die vóór de operatie zijn gemaakt", zegt Smolders. "We gebruikten deze om te onderzoeken hoe resistent de hersenen van elke patiënt zijn tegen schade veroorzaakt door de behandeling om de tumor te verwijderen of te elimineren."

Voorheen was het voorspellen van cognitieve uitkomsten na behandeling bijna onmogelijk, ook al zijn deze uitkomsten erg belangrijk voor het dagelijks leven van een patiënt.

De informatie die door het model van Smolders wordt geproduceerd, kan in de toekomst door chirurgen worden gebruikt om de geschiktheid van een patiënt voor een operatie te beoordelen. Zo kunnen kwetsbare patiënten mogelijk behoed worden voor onomkeerbare neurologische handicaps. De aanpak moet eerst nog klinisch worden gevalideerd voor een grote patiëntengroep.

De weg naar het AI-model

De weg naar het AI-model was op zijn zachtst gezegd interessant, zo vertelt Smolders. "De locatie van de hersenschade wordt vaak gebruikt om te voorspellen met welk type neurologische problemen patiënten te maken zullen krijgen. We hebben echter ontdekt dat de locatie van een hersentumor nauwelijks helpt bij het voorspellen van deze problemen bij patiënten."

De onderzoeker moest dus nieuwe methoden ontwikkelen. "Dit deed me beseffen dat de functie van de hersenen nog ingewikkelder is dan ik eerst dacht. En dat er nog heel veel werk nodig is om het gewenste doel te bereiken, namelijk het betrouwbaar voorspellen van de resultaten na een operatie voor individuele patiënten."

Uiteindelijk lukte het Smolders om een voorspellend model te ontwikkelen dat redelijk voorspelt of een patiënt na de behandeling cognitieve problemen krijgt.

Dit deed me beseffen dat de functie van het brein nog ingewikkelder is dan ik dacht.

Promovendus Lars Smolders

"Dit model is gebaseerd op eigenschappen van witte-stofverbindingen in de hersenen van de patiënt vóór de operatie. Ik vind het fascinerend dat we een maatstaf kunnen ontwikkelen voor de kwetsbaarheid van een brein voor schade - toegebracht door chirurgie en/of chemo- en radiotherapie - alleen op basis van MRI-beelden."

Bron: Lars Smolders

Oude methoden werken niet

Tijdens zijn promotieonderzoek volgde Smolders een pad dat wiskunde, algoritmen, neurowetenschappen en AI combineerde. "Aan het begin van het onderzoek hebben we verschillende gevestigde methoden uit de netwerkneurowetenschappelijke literatuur toegepast om patiënten met een hersentumor te bestuderen om te voorspellen wat cognitieve problemen bij deze patiënten zou kunnen veroorzaken. Maar voor de patiëntengroep in deze studie werkten deze methoden gewoon niet."

Veel gevestigde algoritmen die door Smolders zijn onderzocht om MRI-beelden van de hersenen te bestuderen, falen bijvoorbeeld bij het analyseren van hersenen met grote vervormingen, die vaak optreden in de aanwezigheid van tumoren.

Foutieve conclusies ontkrachten

"We ontdekten ook dat bestaande literatuur gewijd aan het bestuderen van gezonde hersenen verkeerde conclusies trok over het verband tussen de structuur en functie van de hersenen. Daarom hebben we een commentaarpaper over dit onderwerp geschreven om enkele van de foutieve conclusies die onderzoekers in het verleden hebben getrokken, te ontkrachten", zegt Smolders.

Ontdekking

Aangezien Smolders zich tijdens zijn academische carrière heeft toegelegd op technische onderwerpen, zou je denken dat hij veel affiniteit met deze onderwerpen heeft. Tijdens zijn promotieonderzoek ontdekte Smolders iets nieuws over zichzelf.

"Ik ontdekte dat ik wetenschap leuker vind dan ik had verwacht. In de master wiskunde en informatica aan de TU/e word je meer opgeleid als een ingenieur dan als een wetenschapper. Door voor mijn PhD samen te werken met neuropsychologen en neurochirurgen, leerde ik meer over het doen van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Ik vond het erg leuk om mijn vaardigheden om nieuwe wiskundige methoden te ontwikkelen te combineren met neurowetenschappelijk onderzoek."

Ik ontdekte dat ik wetenschap leuker vind dat ik had verwacht.

Promovendus Lars Smolders

Daarnaast veranderde Smolders' kijk op het brein in de loop van zijn project. "Het brein is een complex systeem dat complex gedrag produceert, dat uiteindelijk verklaarbaar moet zijn met wiskundige modellen. Tijdens het project ontdekte ik dat er nog veel te leren valt over de structuur en werking van de hersenen. Hersentumorpatiënten geven ons een unieke lens om de hersenen door te bekijken."

Bijdragen aan de gezondheidszorg van de toekomst

In de toekomst willen Smolders en zijn collega's de activiteit van het individuele patiëntbrein integreren in hun voorspellende model om de nauwkeurigheid van het model te verbeteren.

Een nauwkeuriger model zou het risico op neurologische stoornissen na een operatie aanzienlijk kunnen verminderen en het leven van hersentumorpatiënten na de behandeling kunnen verbeteren.

Smolders hoopt dit werk als postdoctoraal onderzoeker uit te voeren, en hij heeft meegeschreven aan een voorstel terwijl hij financiering zoekt voor de functie.

"Als de subsidieaanvraag succesvol is, zou dat een voortzetting betekenen van de bestaande samenwerking tussen de TU/e en de afdeling neurochirurgie van het Elisabeth-Tweesteden ziekenhuis in Tilburg. Ik verwacht dit zal leiden tot betekenisvolle doorbraken voor de toekomst van de zorg. En ook bij die doorbraken wil ik erbij zijn!"

Titel van het proefschrift: Brain connectivity and cognition in glioma patients. Begeleiders: Luc Florack, Remco van der Hofstad en Wouter De Baene (extern).

Geschreven door

Barry Fitzgerald
(Press Officer)

Meer over gezondheid

Het laatste nieuws

Blijf ons volgen