- Sluitstuk
- 14/10/2024
Sluitstuk | Slaap in beeld
Slaaponderzoekers Iris Huijben en Bernice Wulterkens ontwikkelden nieuwe manieren om slaap te meten
De meeste mensen slapen elke nacht tussen de 7 en 8 uur. En hoewel we ons er niet van bewust zijn, gebeurt er in ons lichaam heel veel terwijl we in bed liggen. Maar wat als slapen een probleem is? Om meer inzicht te krijgen in het slaapproces namen TU/e-onderzoekers Iris Huijben en Bernice Wulterkens de huidige slaapmetingen onder de loep. Hoe machine learning ons helpt anders tegen slaap aan te kijken, en dit uiteindelijk van belang is voor mensen met slaapapneu, slapeloosheid én slaapwandelaars.
Als klein kind liep Iris Huijben in haar slaap geregeld de trap af, maakte een rondje door de woonkamer of keuken om vervolgens weer naar bed gebracht te worden. De volgende ochtend had ze totaal geen herinneringen aan deze nachtelijke wandelingen. Wel vaak kleine oogjes van vermoeidheid. Ook Bernice Wulterkens weet wat het is om slecht te slapen: urenlang wakker liggen om vervolgens weg te zakken in een onrustige nacht – “Je wordt gewoon jaloers op mensen die als een blok in slaap kunnen vallen. Lijkt me heerlijk.” Vier jaar geleden startten ze bijna tegelijkertijd met hun promotieonderzoek bij de vakgroep Signal Processing Systems (Electrial Engineering). Inhoudelijk twee verschillende slaapprojecten, in samenwerking met het Centrum voor Slaapgeneeskunde Kempenhaeghe. Na een periode vol slaapsensoren, wearables, algoritmes, maar ook van slaapborrels en zelfs in een vliegtuigje boven de TU/e, verdedigen ze deze week allebei hun proefschrift.
“Wanneer je in het slaaponderzoek duikt, kom je er pas echt achter hoe intrigerend slaap eigenlijk is. Een soort waakbare coma.” En nog steeds kan het fenomeen slaap Iris Huijben verwonderen. Want we weten nog zo weinig over wat er nu precies gebeurt wanneer we slapen, vertelt ze. “Heel lang werd er gedacht dat slaap een stand-by staat van je lichaam was. Niet zo verwonderlijk, van de buitenkant lijkt er ook niets te gebeuren. Pas in de jaren vijftig kwam ons onderzoeksveld in ontwikkeling, toen snelle oogbewegingen (rapid eye movements) gezien werden tijdens slaap. Later werd ook hersenactiviteit gemeten tijdens de nacht en ontdekten wetenschappers dat slaap uit meerdere stadia bestaat.”
Volgeplakt met sensoren
Slaap draait dus om meer dan uitrusten. Tijdens je slaap doorloop je een herhalend patroon – een slaapcyclus - van vijf slaapfases: de inslaapfase, de lichte slaap, de overgangsfase van lichte naar diepe slaap, de diepe slaap en de REM-slaap, die ze ook wel droomslaap noemen. Elke fase heeft zijn eigen kenmerken en functies. In een normale nacht ga je 4 tot 5 keer door een gehele slaapcyclus heen en kun je ook wel eens kort wakker worden tussen twee slaapcycli. Met een polysomnografie, een nachtelijke slaapregistratie, kunnen alle slaapfases zichtbaar gemaakt worden, legt Bernice Wulterkens uit. “Je krijgt allerlei verschillende sensoren opgeplakt. Die meten de activiteit van je hersenen, ogen en spieren, je hartslag en ademhaling. Ook maken we een video en geluidsopname om de metingen te koppelen aan het slaapgedrag.”
“Elke 30 seconden wordt er aan de hand van de data bepaald in welke slaapfase de slapende zit”, vult Huijben aan. “We meten dus heel veel, maar veel data blijft ongebruikt. In 30 seconden kan fysiologisch gezien heel veel gebeuren. Daarom heb ik met machine learning algoritmes vele slaapregistraties onderzocht. Zo willen we kijken of we meer informatie uit de ruwe data kunnen halen, of er nieuwe patronen ontdekt kunnen worden buiten de slaapfases om die we met de huidige manier van meten niet zien. Dat kan ons meer leren over gezonde slaap, maar natuurlijk ook over slaapstoornissen.”
Complexe slaapstoornis
Wulterkens veert op. Waar Huijben vooral veel achter haar computer heeft gezeten voor data-analyses, stond zij vaak naast het patiëntenbed. “Er is een groep mensen die de diagnose slaapapneu krijgen, maar waarbij de behandeling niet aanslaat. Vaak leiden zij dan aan een gecombineerd voorkomen van slapeloosheid (insomnie) en obstructief slaapapneu, COMISA. Wanneer een patiënt via de huisarts voor een slaaponderzoek naar het ziekenhuis verwezen wordt met de verdenking slaapapneu, wordt COMISA makkelijk over het hoofd gezien en vaak pas in een later stadium vastgesteld. En dat is zorgelijk, want patiënten met COMISA ervaren meer klachten en beperkingen dan de mensen met een van beide aandoeningen. We zijn in slaaponderzoeken gaan kijken of COMISA bepaalde kenmerken heeft waardoor er een snellere diagnose gesteld kan worden.”
In eerste instantie gebruikte Wulterkens data van Kempenhaeghe, waar patiënten naar verwezen worden wanneer ze niet in hun eigen ziekenhuis geholpen kunnen worden. Deze mensen hebben vaak een complexere slaapstoornis waar binnen Kempenhaeghe dan ook meer oog voor is, benadrukt Wulterkens. Dat hielp haar in de zoektocht naar COMISA-kenmerken. “Waar je bij slaapapneu veel korte waakmomenten van tientallen seconden gedurende de nacht ziet, zagen we dat deze periodes bij COMISA patiënten veel langer duurden, bijvoorbeeld rond de vijf minuten.” Maar bij de overstap naar de ziekenhuisdata – Wulterkens werkte ook samen met het Amphia Ziekenhuis in Breda – liep ze tegen praktische problemen aan. “Op basis van de standaard slaapmeting blijkt COMISA lastig vast te stellen. Want niet iedereen met COMISA heeft elke nacht last van slapeloosheid. Het liefst zou je een patiënt daarom in meerdere nachten willen monitoren, gewoon thuis zonder al die bedradingen.”
Hoewel er veel ontwikkelingen gaande zijn op het gebied van draadloze slaapmonitoring en ook al veel consumenten hun slaap tracken met wearables, kon Wulterkens deze niet gebruiken. “Consumentenapparaten zijn getest op jonge mensen met een gezond slaappatroon en kunnen slaapstoornissen niet goed detecteren. Bovendien hebben wij als onderzoeker geen toegang tot de ruwe data, en kan een fabrikant op elk moment hun algoritmes aanpassen. Niet wenselijk voor een wetenschappelijke studie.” Met wearables van industriële partner Philips verzamelde Wulterkens twee weken lang (ruwe) meetgegevens van mensen die ’s nachts met deze polsband sliepen. Daarna scoorde ze met behulp van een machine learning algoritme de slaap van patiënten met slaapstoornissen. De eerste klinische studies zijn veelbelovend, zegt Wulterkens enthousiast. “Door een verbeterde manier van meten kunnen we beter onderscheid maken tussen waak en slaap. De huidige wearables zien vaak het verschil niet tussen een patiënt die slaapt of wakker in bed ligt zonder te bewegen. Terwijl dat voor een juiste diagnose essentieel is.”
Rechtop in bed
Ook Huijben wil graag de overstap naar wearables maken. “We kunnen nu state-of-the-art machine learning uitvoeren met echte klinische data. Vaak worden modellen gevoed met synthetische datasets, bijvoorbeeld eenvoudige foto’s van honden en katten die dan geclassificeerd moeten worden. Met de professionele data van Kempenhaeghe is het ons gelukt om machine learning dichter naar de kliniek te brengen.” Dat biedt nieuwe mogelijkheden om anders naar slaappatronen te kijken, legt Huijben uit. “We kunnen slaap nu gaan weergeven als een continue proces, zoals het echt is. Veranderingen binnen en tussen een slaapfase zijn gradueel, de overgangen zijn niet hard. Met de ontwikkelde machine learning modellen kunnen we ook op een nieuwe manier naar slaap gemeten in de thuissituatie kijken, in samenwerking met industriële partner Onera Health. Zij ontwikkelen draadloze polysomnografie sensoren voor thuismetingen.”
Naast het analyseren van normale slaappatronen, bekeek Huijben ook data van slaapwandelaars met haar ML model. “We begrijpen nog niet zo goed waarom en wanneer zo’n slaapwandelgedraging plaatsvindt, het is een bijzondere staat van het lichaam. Dat hoeft overigens niet perse fysiek wandelen te zijn, ook praten en ineens rechtop in bed gaan zitten vallen hieronder. Slaapwandelende mensen zijn bovendien nauwelijks wakker te krijgen en lukt dat wel, dan zijn ze vaak agressief. Met de standaard weergave van slaapcycli is het heel lastig om periodes van slaapwandelen te onderscheiden in de hersenmetingen. Onze ML modellen laten zien dat hoe langer een stuk diepe slaap is, hoe groter de kans is dat er slaapwandelgedragingen op treden. We begrijpen nog vrij weinig wat er nu precies tijdens zo'n periode gebeurt. We hopen nu met deze methode daar meer zicht op te krijgen, ook door met de sensoren van Onera Health slaapwandelaars meerdere dagen thuis te gaan monitoren.”
Luisteren naar je lijf
Ondanks dat ze niet rechtstreeks hebben samengewerkt, hebben Huijben en Wulterkens veel van elkaar kunnen leren. Huijben: “In onze groep zie je de hele slaap-pipeline. Ik werkte niet rechtstreeks met patiënten, maar hoorde via Bernice wel de verhalen over de enorme impact van slaapstoornissen. En op de slaapborrels die we samen organiseerden was er naast collegiale gezelligheid ook ruimte om nieuwe ideeën op te doen.” En dat leidde ook letterlijk tot een heel ander perspectief, lacht Huijben. Want zowel zij als Wulterkens mochten met hun promotor Sebastiaan Overeem, die naast TU/e-hoogleraar en somnoloog ook amateurpiloot is, mee met een vlucht rond Eindhoven en zagen hun werk van bovenaf.
Ze zijn zich in ieder geval heel bewust geworden van wat slechte slaap met je doet, besluit Wulterkens. “Veel mensen staan er niet bij stil dat ze zelf veel kunnen doen om hun slaapgedrag te verbeteren. “’s Avonds geen koffie, een vast slaapritme, geen beeldschermen. Vooral dat laatste is echt een probleem, zeker bij jongeren die hun mobiele telefoon niet kunnen wegleggen. En in de huidige data-cultuur monitoren steeds meer mensen standaard hun slaap, maar dat kan juist weer een bron voor slaapproblemen zijn. Meet met mate, en vergeet niet om ook gewoon naar je lijf te blijven luisteren.”
Bernice Wulterkens verdedigde maandag 14 oktober 2024 haar proefschrift “Shining light on a Dark Duo: Advancing the analysis of sleep in the assessment of COMISA“, Iris Huijben verdedigt haar proefschrift “Uncovering sleep structure through discrete representation learning” op donderdag 17 oktober.
PhD in the Picture – Iris Huijben
Wat zien we op je proefschriftkaft?
“Gekleurde vlakjes, die de clusters voorstellen die we met patroonherkenning in onze data hebben gevonden. Op de rug zie je een kleine zwarte lijn, onderdeel van een lange EEG trace die zichtbaar wordt wanneer je alle proefschriften binnen de TU/e Slaap Series naast elkaar zet. Zo zijn de proefschriften van Bernice en mij ook met elkaar verbonden.
Je bent op een verjaardagsfeestje. Hoe leg je in één zin uit wat je onderzoekt?
“Met machine learning – een onderdeel binnen de kunstmatige intelligentie – ben ik een zoektocht gestart naar nieuwe manieren om naar slaap te kijken.”
Hoe kun je naast je onderzoek stoom afblazen?
“Ik kom graag buiten in de natuur, in het zwembad om banen te trekken of speel klarinet. Ook borrel ik graag met vrienden en collega’s.”
Welke tip had je als beginnende PhD-student willen krijgen?
“Zorg dat je van begin af aan je data, literatuur en codes goed organiseert. Een duidelijke structuurboom scheelt je op het einde vele uren zoekwerk.”
Wat is je volgende hoofdstuk?
“Ik ga nu de keuze voor een nieuwe baan nog niet maken, ik parkeer het even. Want eerst ga ik 4 maanden samen met mijn vriend op reis, naar Nieuw-Zeeland en Thailand. Met mijn voorliefde voor hiken kijk ik daar enorm naar uit.”
PhD in the Picture – Bernice Wulterkens
Wat zien we op je proefschriftkaft?
“Het duistere duo OSA en insomnie, als twee grote letters D. Die letters hebben een gezicht, en symboliseren twee mensen die elk een van de slaapstoornissen hebben. Wanneer je je hoofd draait zie je ineens een groter gezicht, iemand die lijdt aan een combinatie van het ‘duistere duo’. Hij keert zijn gezicht naar het licht, de resultaten van mijn onderzoek dragen hopelijk bij aan een snellere diagnose van deze gecombineerde slaapstoornis.”
Je bent op een verjaardagsfeestje. Hoe leg je in één zin uit wat je onderzoekt?
Lachend: “Wanneer ik over mijn onderzoek begin krijg ik heel vaak te horen wat iemand droomt; soms de vreemdste verhalen. Dan vertel ik hoe je met nieuwe meetmethodes anders naar slaap kunt kijken en dat we daarmee de diagnostiek voor mensen met slaapapneu en slapeloosheid kunnen verbeteren.”
Hoe kun je naast je onderzoek stoom afblazen?
“Door veel CrossFit te doen, of gewoon lekker met een goed boek op de bank”
Welke tip had je als beginnende PhD-student willen krijgen?
“Omarm onzekerheid en zoek plezier in het niet-weten.”
Wat is je volgende hoofdstuk?
“Ik werk sinds kort als consultant bij medisch technologiebedrijf Medtronic en probeer ook hier, met mijn achtergrond als Technisch Geneeskundige, een brug te slaan tussen technologie en zorg. Hoe kunnen we processen in de zorg optimaliseren, wachtlijsten verkorten, kortom: hoe maken we de zorg toekomstbestendig?”
Discussie