211service.com
De hersenen decoderen met licht
Moleculaire lichtschakelaars kunnen precies onthullen welke neuronen betrokken zijn bij het creëren van een geheugen, waardoor wetenschappers dat geheugen kunnen activeren met alleen licht. De bevinding, gepresenteerd op de Vereniging voor Neurowetenschappen conferentie in Chicago deze week, is slechts één voorbeeld van hoe een nieuwe technologie, optogenetica genaamd, wetenschappers in staat stelt grote onbeantwoorde vragen over de hersenen aan te pakken, waaronder de rol van specifieke hersengebieden bij de vorming van geheugen, het verslavingsproces en de overgang van slaap naar waken.
Licht reliëf: Wetenschappers gebruiken glasvezelkabels om neurale activiteit bij muizen te regelen, dankzij lichtschakelaars die genetisch zijn gemanipuleerd in specifieke neuronen. De technologie, optogenetica genaamd, kan worden gebruikt om specifieke neurale circuits te koppelen aan verschillende gedragingen en ziekten.
De technologie, slechts vier jaar geleden ontwikkeld door Karl Deisseroth , een arts en bio-ingenieur aan Stanford, en Ed Boyden , nu bio-ingenieur aan het MIT, wordt al door honderden laboratoria over de hele wereld gebruikt. Dankzij moleculair knutselen en nieuwe glasvezelapparaten die via een implantaat licht tot diep in de hersenen brengen, kunnen onderzoekers optogenetica gebruiken om het effect van neurale stimulatie op ander gedrag bij levende dieren te bestuderen.
Om neuronen gevoelig te maken voor licht, hebben wetenschappers ze genetisch gemanipuleerd om een eiwit te dragen dat is aangepast aan groene algen. Wanneer het gemodificeerde neuron wordt blootgesteld aan licht, via het glasvezelimplantaat, veroorzaakt het eiwit elektrische activiteit in de cel die zich verspreidt naar het volgende neuron in het circuit. De technologie stelt wetenschappers in staat om neurale activiteit veel nauwkeuriger te controleren dan eerdere methoden, waarbij over het algemeen elektrische stroom via een elektrode werd geleverd.
Michael Hausser ’s team van University College London gebruikt optogenetica om te onderzoeken hoe herinneringen worden opgeslagen in de hersenen van muizen. Volgens het basismodel van geheugenvorming activeert het leren van een nieuwe associatie, zoals dat een bepaald geluid voorafgaat aan een elektrische schok, een subset van neuronen in een deel van de hersenen, de hippocampus genaamd. Er wordt gedacht dat het terugroepen van het geheugen kan worden geactiveerd door slechts een subset van de cellen in dat netwerk te activeren, zegt Hausser. Maar er is geen duidelijk, direct experimenteel bewijs voor een van de stappen in het proces.
Hausser en zijn medewerkers hebben het lichtgevoelige eiwit genetisch gemanipuleerd zodat het alleen tot expressie zou komen in neuronen in de hippocampus die werden geactiveerd tijdens de vorming van een geheugen. Vervolgens leerden ze de muizen om bang te zijn voor een bepaald geluid door het te combineren met een elektrische schok. Het horen van het geluid deed de dieren bevriezen van angst - en veroorzaakte de productie van het eiwit in geactiveerde hersencellen.
De volgende dag schenen onderzoekers blauw licht op de hippocampi van de dieren. Dat veroorzaakte activiteit in alleen de subset van cellen die de dag ervoor vuurden tijdens geheugenvorming, waardoor het dier bevroor van angst als reactie op licht, in plaats van op het geluid. De onderzoekers labelden deze cellen ook met een fluorescerende marker, waardoor ze het aantal cellen konden tellen dat betrokken is bij het creëren van het geheugen. Een opmerkelijk klein aantal neuronen bij deze dieren is voldoende om het geheugen te stimuleren, in de orde van 100 tot 200 cellen, zegt Hausser.
Naast het belichten van de meest elementaire aspecten van de hersenen, gebruiken onderzoekers de technologie om specifieke ziekten zoals depressie, Parkinson en verslaving beter te begrijpen, in de hoop de behandelingen te verbeteren. De ziekte van Parkinson kan bijvoorbeeld worden behandeld met diepe hersenstimulatie, waarbij een chirurgisch geïmplanteerde elektrode pulsen afgeeft aan een specifieke structuur diep in de hersenen. Maar de procedure is invasief en brengt het risico met zich mee van bijwerkingen zoals depressie en cognitieve stoornissen. Eerder dit jaar publiceerde het team van Deisseroth details van onderzoek waarbij de lichtschakelaars werden gebruikt om de hersencircuits te bestuderen die betrokken zijn bij de ziekte van Parkinson. Ze ontdekten dat ze de motorische stoornissen bij dieren met Parkinson-achtige symptomen konden verlichten door neurale doelen veel dichter bij het oppervlak van de hersenen te activeren.
De bevindingen verhogen de mogelijkheid om niet-invasieve methoden te gebruiken om de hersenen te stimuleren om Parkinson-patiënten te behandelen, die Deisseroth en medewerkers nu onderzoeken. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS), een manier om delen van de hersenen te activeren met behulp van een magneet die over de hoofdhuid wordt geplaatst, is al goedgekeurd door de Food and Drug Administration om depressie te behandelen. Maar onderzoeken waarbij TMS werd gebruikt om Parkinson te behandelen, hebben gemengde resultaten opgeleverd, waarschijnlijk omdat mensen in verschillende delen van de hersenen rondneuzen en zich niet door dit soort kennis laten leiden, zegt Deisseroth. In een nieuwe studie zullen de onderzoekers eerst geavanceerde hersenafbeeldingsmethoden gebruiken om te proberen bij Parkinson-patiënten het menselijke correlaat te identificeren van de plek die is geïdentificeerd in dierstudies - het exacte gebied zal waarschijnlijk van persoon tot persoon verschillen - en vervolgens specifiek op de stimulatie richten naar die regio.
Wetenschappers gebruiken ook optogenetica om depressie te bestuderen, een andere ziekte die kan worden behandeld met elektrische stimulatie. Ze hopen de hersengebieden te plagen die verantwoordelijk zijn voor de verschillende symptomen die gepaard gaan met depressie, zoals vermoeidheid, hopeloosheid en gebrek aan plezier in dagelijkse activiteiten.
Onderzoekers bootsen klinische depressie bij muizen na door ze enkele dagen aan extreme sociale stress te onderwerpen. Na zo'n stress onthouden deze normaal sociale dieren zich de rest van hun leven van sociale interactie. Net als klinische depressie bij mensen, genereert deze stoornis abnormale patronen van neurale activiteit in een deel van de hersenen, de prefrontale cortex genaamd, en het kan worden verlicht met antidepressiva.
Herbert Covington, een onderzoeker in Eric Nestler ’s lab aan de Mount Sinai School of Medicine, in New York, maakte neuronen in de prefrontale cortex van gestreste muizen gevoelig voor licht. Vervolgens stimuleerde hij de neuronen van de dieren met behulp van licht dat werd afgegeven in een patroon dat vergelijkbaar is met dat van gezonde muizen die een nieuwe omgeving verkennen. Net als antidepressiva zorgde de lichte behandeling ervoor dat de voorheen angstige dieren normaal met andere muizen konden socializen.
Depressie is een complexe mix van gedragingen, zegt Covington. Het stimuleren van de prefrontale cortex kan een sociaal gedrag herstellen. Vervolgens zullen we kijken of het activiteit kan herstellen - zullen muizen ervoor kiezen om dingen te doen die ze lonend vinden, wat vaak een probleem is bij depressie. De bevindingen kunnen onderzoekers uiteindelijk in staat stellen behandelingen te ontwikkelen die gericht zijn op specifieke aspecten van de ziekte.
Het is nog niet duidelijk of optogeneticatechnologie zelf een behandeling zal worden of dat de grote impact ervan licht zal werpen op ziekte. Twee groepen richten zich al op mogelijke behandelingen: Ed Boyden van het MIT heeft een startup opgericht om optogenetica te gebruiken om het gezichtsvermogen van mensen met gezichtsstoornissen te herstellen door beschadigde retinale cellen gevoelig te maken voor licht, en een startup voortgekomen uit Case Western Reserve University in Cleveland, OH, is van plan de technologie te commercialiseren om de controle over de blaas bij verlamde mensen te herstellen.