De nieuwe gereedschapskist van de neurowetenschap

Met de uitvinding van optogenetica en andere technologieën kunnen onderzoekers voor het eerst de bron van emoties, geheugen en bewustzijn onderzoeken. Door

• Stephen S. Hall archiefpagina

17 juni 2014

Wat de make love, not war-tak van gedragsneurowetenschappen zou kunnen worden genoemd, begon enkele jaren geleden vorm te krijgen in (waar anders?) Californië, toen onderzoekers in het laboratorium van David J. Anderson in Caltech besloten om de biologie van agressie aan te pakken. Ze begonnen de onderzoekslijn door de muizenversie van Fight Night te orkestreren: ze spoorden mannelijke muizen aan om in de knoop te raken met rivaliserende mannetjes en richtten zich vervolgens, met nauwgezet moleculair detectivewerk, op een paar cellen in de hypothalamus die actief werden toen de muizen begonnen vechten.

De hypothalamus is een kleine structuur diep in de hersenen die, naast andere functies, sensorische input - bijvoorbeeld het uiterlijk van een rivaal - coördineert met instinctieve gedragsreacties. In de jaren twintig van de vorige eeuw had Walter Hess van de Universiteit van Zürich (die in 1949 een Nobelprijs zou winnen) aangetoond dat als je een elektrode in de hersenen van een kat steekt en bepaalde delen van de hypothalamus elektrisch stimuleert, je een spinnende kat kunt veranderen in een harige waas van agressie. Verschillende interessante hypothesen probeerden uit te leggen hoe en waarom dat gebeurde, maar er was geen manier om ze te testen. Zoals veel fundamentele vragen in de hersenwetenschap, is het mysterie van agressie de afgelopen eeuw niet verdwenen - het raakte gewoon de gebruikelijke empirische wegversperringen. We hadden goede vragen, maar geen technologie om bij de antwoorden te komen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2014

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Tegen 2010 begon Andersons Caltech-lab de onderliggende mechanismen en neurale circuits van agressie in hun strijdlustige muizen uit elkaar te halen. Gewapend met een reeks nieuwe technologieën waarmee ze zich konden concentreren op individuele klompjes cellen in hersengebieden, stuitten ze op een verrassende anatomische ontdekking: het kleine deel van de hypothalamus dat gecorreleerd leek met agressief gedrag was verweven met het deel dat verband hield met de impuls paren. Dat kleine hertogdom van cellen - de technische naam is de ventromediale hypothalamus - bleek een verzameling van ongeveer 5.000 neuronen te zijn, allemaal samen gemarmerd, waarvan sommige schijnbaar verbonden waren met copuleren en andere met vechten.

Er bestaat niet zoiets als een generiek neuron, zegt Anderson, die schat dat er tot 10.000 verschillende klassen neuronen in de hersenen kunnen zijn. Zelfs kleine hersengebieden bevatten een mengsel, zegt hij, en deze neuronen beïnvloeden vaak het gedrag in verschillende, tegengestelde richtingen. In het geval van de hypothalamus leken sommige neuronen actief te worden tijdens agressief gedrag, sommige tijdens paringsgedrag en een kleine subset - ongeveer 20 procent - tijdens zowel vechten als paren.

Dat was een provocerende ontdekking, maar het was ook een overblijfsel van oude neurowetenschap. Actief zijn was niet hetzelfde als het gedrag veroorzaken; het was gewoon een correlatie. Hoe wisten de wetenschappers zeker wat het gedrag veroorzaakte? Zouden ze een muis kunnen uitlokken om een ​​gevecht aan te gaan door simpelweg een paar cellen in de hypothalamus te kietelen?

Een decennium geleden zou dat technologisch onmogelijk zijn geweest. Maar in de afgelopen 10 jaar is de neurowetenschap getransformeerd door een opmerkelijke nieuwe technologie genaamd optogenetica, uitgevonden door wetenschappers van Stanford University en voor het eerst beschreven in 2005. De Caltech-onderzoekers waren in staat om een ​​genetisch gemodificeerd lichtgevoelig gen in specifieke cellen in te voegen locaties in de hersenen van een levende, ademende, pittige en soms kotsende mannelijke muis. Met behulp van een haardunne glasvezeldraad die in dat levende brein werd gestoken, konden ze vervolgens de neuronen in de hypothalamus met een lichtflits aan- en uitzetten.

optogenetica : Lichtschakelaars voor neuronen

Anderson en zijn collega's gebruikten optogenetica om een ​​video te maken waarin de spanningen tussen haat en liefde diep binnen knaagdieren worden gedramatiseerd. Het toont een mannelijke muis die doet wat van nature komt, paren met een vrouw, totdat de Caltech-onderzoekers het licht aandoen, op welk moment de murine lothario woedend wordt. Als het licht aan is, kan zelfs een zachtaardige mannelijke muis ertoe worden aangezet om elk doelwit aan te vallen dat zich in de buurt bevindt - zijn reproductieve partner, een andere mannelijke muis, een gecastreerd mannetje (normaal niet gezien als een bedreiging), of, zeer onwaarschijnlijk, een rubberen handschoen viel in de kooi.

Het activeren van deze neuronen met optogenetische technieken is voldoende om agressief gedrag te activeren, niet alleen naar geschikte doelen zoals een andere mannelijke muis, maar ook naar ongepaste doelen, zoals vrouwen en zelfs levenloze objecten, zegt Anderson. Omgekeerd kunnen onderzoekers deze neuronen in het midden van een gevecht remmen door het licht uit te doen, zegt hij: je kunt het gevecht dood in zijn sporen stoppen.

Bovendien suggereert het onderzoek dat vrijen belangrijker is dan oorlogvoering in de calculus van gedrag: hoe dichter een muis bij de voltooiing van de reproductieve handeling was, hoe resistenter (of zich niet bewust) hij werd van de lichtpulsen die normaal gesproken agressie veroorzaakten. In een paper gepubliceerd in Biologische Psychiatrie , getiteld Optogenetics, Sex, and Violence in the Brain: Implications for Psychiatry, merkte Anderson op: Misschien is de noodzaak om 'de liefde te bedrijven, geen oorlog' in ons zenuwstelsel verankerd, in grotere mate dan we ons realiseerden. We kunnen zowel geliefden als strijders zijn, met de kleinste neurologische afstanden die de twee impulsen scheiden.

Optogenetica en andere nieuwe technieken betekenen dat wetenschappers de functie van de duizenden verschillende soorten neuronen onder de ongeveer 86 miljard in het menselijk brein kunnen beginnen te lokaliseren.

Niemand suggereert dat we op het punt staan ​​neurale stroomonderbrekers in te zetten om agressief gedrag te beteugelen. Maar, zoals Anderson opmerkt, het onderzoek benadrukt een groter punt over hoe een nieuwe technologie de manier waarop hersenwetenschap wordt gedaan opnieuw kan uitvinden. Het vermogen van optogenetica om een ​​grotendeels correlatief wetenschapsgebied om te zetten in een wetenschapsgebied dat causaliteit test, is transformerend geweest, zegt hij.

Het radicale van de techniek is dat het wetenschappers in staat stelt om een ​​cel of een netwerk van cellen met een voortreffelijke precisie te verstoren, de sleutel tot het schetsen van de schakelingen die verschillende soorten gedrag beïnvloeden. Terwijl oudere technologieën zoals beeldvorming onderzoekers in staat stelden om de hersenen in actie te zien, stelt optogenetica hen in staat om die actie te beïnvloeden, door op specifieke tijden te sleutelen aan specifieke delen van de hersenen om te zien wat er gebeurt.

En optogenetica is slechts één van een reeks revolutionaire nieuwe instrumenten die waarschijnlijk een leidende rol zullen spelen in wat lijkt op een hoogtijdagen voor de neurowetenschappen. Grote initiatieven in zowel de Verenigde Staten als Europa streven ernaar te begrijpen hoe het menselijk brein - die verwarde drie-pond wrongel van neuronen, bindweefsel en circuits - aanleiding geeft tot alles, van abstract denken tot elementaire zintuiglijke verwerking tot emoties zoals agressie. Bewustzijn, vrije wil, geheugen, leren - ze liggen nu allemaal op tafel, aangezien onderzoekers deze hulpmiddelen gebruiken om te onderzoeken hoe de hersenen zijn schijnbaar mysterieuze effecten bereiken (zie Zoeken naar de vrije wil-neuron).

verbindingen

Meer dan 2000 jaar geleden merkte Hippocrates op dat als je de geest wilt begrijpen, je moet beginnen met het bestuderen van de hersenen. Er is de afgelopen twee millennia niets gebeurd om die noodzaak te veranderen - behalve de hulpmiddelen die de neurowetenschap voor deze taak biedt.

De geschiedenis van de neurowetenschappen is, net als de geschiedenis van de wetenschap zelf, vaak een verhaal van nieuwe apparaten en nieuwe technologieën. Luigi Galvani's eerste accidentele elektrode, die de spiertrekking van een kikker veroorzaakte, heeft elke volgende elektrische sonde geïnspireerd, van de kattenprik van Walter Hess tot het huidige therapeutische gebruik van diepe hersenstimulatie om de ziekte van Parkinson te behandelen (ongeveer 30.000 mensen wereldwijd hebben nu elektroden geïmplanteerd in hun hersenen om deze aandoening te behandelen). Met de patch-clamp konden neuro-anatomisten de eb en vloed van ionen in een neuron zien terwijl het zich voorbereidt om te vuren. En Paul Lauterbur realiseerde zich weinig toen hij een sterk magnetisch veld focuste op een enkele ongelukkige tweekleppige schelpdier in zijn laboratorium aan de State University van New York in Stony Brook in de vroege jaren zeventig, dat hij en zijn collega's de basis legden voor de magnetische resonantie beeldvormende (MRI) machines die hebben geholpen om het interne landschap en de activiteit van een levend brein te onthullen.

Groeiende neuronen : Bestuderen wat er mis gaat

Maar het zijn de vorderingen in de genetica en genomische hulpmiddelen van de afgelopen jaren die de neurowetenschap echt revolutionair hebben veranderd. Die vooruitgang maakte de genetische manipulaties in het hart van optogenetica mogelijk. Zelfs recentere methoden voor genoombewerking kunnen worden gebruikt om de genetica van levende cellen in het laboratorium nauwkeurig te veranderen. Samen met optogenetica, betekenen deze hulpmiddelen dat wetenschappers de functie van de duizenden verschillende soorten zenuwcellen onder de ongeveer 86 miljard in het menselijk brein kunnen beginnen te lokaliseren.

Niets getuigt meer van de waarde van een nieuwe technologie dan het aantal wetenschappers dat deze snel overneemt en gebruikt om nieuwe wetenschappelijke gebieden te claimen. Zoals Edward Boyden, een wetenschapper aan het MIT die hielp bij het ontwikkelen van optogenetica, het stelt: Vaak is er een beetje landroof als er een nieuwe technologie uitkomt.

En zelfs als onderzoekers die kansen in genomica en optogenetica grijpen, komen er nog andere ontwikkelingen op het toneel. Een nieuwe chemische behandeling maakt het mogelijk om zenuwvezels in de hersenen van zoogdieren direct te zien; robotmicro-elektroden kunnen afzonderlijke cellen in levende dieren afluisteren (en verstoren); en met meer geavanceerde beeldvormingstechnieken kunnen onderzoekers zenuwcellen en vezels in hersenschijfjes matchen om een ​​driedimensionale kaart van de verbindingen te maken. Door deze tools samen te gebruiken om inzicht te krijgen in de activiteit van de hersenen, hopen wetenschappers het grootste cognitieve spel vast te leggen: geheugen, besluitvorming, bewustzijn, psychiatrische ziekten zoals angst en depressie, en ja, seks en geweld.

Wetenschappers speculeerden dat als je het gen voor een lichtgevoelig eiwit in een neuron zou kunnen smokkelen en de cel vervolgens met licht zou pulseren, je het zou kunnen activeren om te vuren. Je zou specifieke neuronen aan en uit kunnen zetten.

In januari 2013 investeerde de Europese Commissie een miljard euro in de lancering van haar Human Brain Project, een 10-jarig initiatief om alle verbindingen in de hersenen in kaart te brengen. Enkele maanden later, in april 2013, kondigde de regering-Obama een initiatief aan genaamd Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies (BRAIN), dat naar verwachting maar liefst $ 1 miljard in het veld zal pompen, waarbij een groot deel van de vroege financiering bestemd is voor technologieontwikkeling. Dan is er het Human Connectome Project, dat tot doel heeft om met behulp van elektronenmicroscoopbeelden van opeenvolgende plakjes hersenweefsel zenuwcellen en hun verbindingen in drie dimensies in kaart te brengen. Complementaire connectoom- en mapping-initiatieven komen op gang bij het Howard Hughes Medical Institute in Virginia en het Allen Institute for Brain Science in Seattle. Ze maken allemaal deel uit van een grote wereldwijde inspanning, zowel publiek als privaat gefinancierd, om een ​​alomvattend beeld van het menselijk brein op te bouwen, van het niveau van genen en cellen tot dat van verbindingen en circuits.

Afgelopen december hebben de National Institutes of Health, als een eerste stap in het BRAIN-initiatief, om voorstellen gevraagd voor projecten ter waarde van $ 40 miljoen over technologische ontwikkeling in de neurowetenschappen. Waarom legt het BRAIN-initiatief zo'n grote nadruk op technologie? zegt Cornelia Bargmann, de neurowetenschapper van de Rockefeller University die het planningsproces voor het project mede regisseert. Het echte doel is om te begrijpen hoe de hersenen werken, op veel niveaus, in ruimte en tijd, in veel verschillende neuronen, allemaal tegelijk. En wat ons ervan weerhoudt om dat te begrijpen, zijn beperkingen in technologie.

afluisteren

Optogenetica vond zijn oorsprong in 2000, in de nachtelijke gesprekken aan de Stanford University. Daar begonnen neurowetenschappers Karl Deisseroth en Edward Boyden ideeën heen en weer te kaatsen over manieren om de activiteit van specifieke hersencircuits te identificeren en uiteindelijk te manipuleren. Deisseroth, die een doctoraat had in de neurowetenschappen aan Stanford, verlangde ernaar de mentale aandoeningen te begrijpen (en ooit te behandelen) die de mensheid sinds het tijdperk van Hippocrates hebben gekweld, met name angst en depressie (zie Shining Light on Madness). Boyden, die afgestudeerd was in hersenfunctie, had een allesetende nieuwsgierigheid naar neurotechnologie. Aanvankelijk droomden ze ervan om kleine magnetische kralen in te zetten als een manier om de hersenfunctie van intacte, levende dieren te manipuleren. Maar op een bepaald moment in de komende vijf jaar ging er een ander soort gloeilamp af.

Sinds de jaren zeventig bestudeerden microbiologen een klasse van lichtgevoelige moleculen die bekend staan ​​als rodopsines en die waren geïdentificeerd in eenvoudige organismen zoals bacteriën, schimmels en algen. Deze eiwitten werken als poortwachters langs de celwand; wanneer ze een bepaalde golflengte van licht detecteren, laten ze ofwel ionen een cel binnen of, omgekeerd, laten ze ionen eruit. Deze eb en vloed van ionen weerspiegelt het proces waarbij een neuron vuurt: de elektrische lading in de zenuwcel bouwt zich op totdat de cel een piek van elektrische activiteit ontketent die langs de lengte van zijn vezel (of axon) naar de synapsen stroomt, waar de bericht wordt doorgegeven aan de volgende cel in het pad. Wetenschappers speculeerden dat als je het gen voor een van deze lichtgevoelige eiwitten in een neuron zou kunnen smokkelen en de cel vervolgens met licht zou pulseren, je deze zou kunnen activeren om te vuren. Simpel gezegd, je zou specifieke neuronen in een bewust dier aan of uit kunnen zetten met een lichtflits.

In 2004 bracht Deisseroth met succes het gen voor een lichtgevoelig molecuul uit algen in zoogdierneuronen in een schaaltje. Deisseroth en Boyden toonden verder aan dat blauw licht de neuronen tot vuren kon aanzetten. Rond dezelfde tijd trad een afgestudeerde student genaamd Feng Zhang toe tot het laboratorium van Deisseroth. Zhang, die als middelbare scholier in Des Moines, Iowa, vroegrijpe expertise had opgedaan in de technieken van zowel moleculaire biologie als gentherapie, toonde aan dat het gen voor het gewenste eiwit door middel van genetisch gemanipuleerde virussen in neuronen kon worden geïntroduceerd. Opnieuw met behulp van pulsen van blauw licht, demonstreerde het Stanford-team vervolgens dat het elektrische pulsen aan en uit kon zetten in de virus-gemodificeerde zoogdierzenuwcellen. In een historische krant die verscheen in Natuur Neurowetenschap in 2005 (nadat, zegt Boyden, het werd afgewezen door Wetenschap ), beschreven Deisseroth, Zhang en Boyden de techniek. (Niemand zou het nog een jaar optogenetica noemen.)

Neurowetenschappers maakten meteen gebruik van de kracht van de techniek door lichtgevoelige genen in levende dieren in te brengen. Onderzoekers in het eigen laboratorium van Deisseroth gebruikten het om nieuwe wegen te identificeren die angst bij muizen beheersen, en zowel het team van Deisseroth als zijn medewerkers in het Mount Sinai Hospital in New York gebruikten het om depressie bij ratten en muizen aan en uit te zetten. En het laboratorium van Susumu Tonegawa aan het MIT gebruikte onlangs optogenetica om valse herinneringen te creëren bij proefdieren.

Toen ik afgelopen december het kantoor van Boyden in het Media Lab van het MIT bezocht, riep de wetenschapper zijn favoriete recente artikelen over optogenetica op. In een stroom van woorden zo snel als zijn toetsaanslagen, beschreef Boyden technologieën van de tweede generatie die al worden ontwikkeld. De ene omvat het afluisteren van afzonderlijke zenuwcellen in verdoofde en bij bewustzijn zijnde dieren om de dingen te zien kolken onder de zee van activiteit in een neuron wanneer het dier bewusteloos is. Boyden zei: Het werpt letterlijk licht op wat het betekent om gedachten, bewustzijn en gevoelens te hebben.

Wetenschappers gebruiken vaak woorden als verrassend en onverwacht om recente resultaten te karakteriseren, die de impact weerspiegelen die optogenetica heeft gehad op het begrip van psychiatrische ziekten.

De groep van Boyden had net ook een paper gestuurd met een nieuwe draai aan optogenetica: afzonderlijke, onafhankelijke neurale paden kunnen gelijktijdig worden verstoord met rode en blauwe golflengten van licht. De techniek heeft de potentie om te laten zien hoe verschillende circuits op elkaar inwerken en elkaar beïnvloeden. Zijn groep werkt ook aan waanzinnig dichte opnamesondes en microscopen die ernaar streven de activiteit van het hele brein vast te leggen. De ambities zijn niet bescheiden. Kun je alle cellen in de hersenen registreren, zegt hij, zodat je gedachten of beslissingen of andere complexe verschijnselen kunt zien ontstaan ​​terwijl je van sensatie naar emotie naar beslissing naar actiesite gaat?

Hersenen in kaart brengen : De informatiesnelwegen in kaart brengen

Een paar straten verderop somde Feng Zhang, die nu een assistent-professor is aan het MIT en een faculteitslid van het Broad Institute, eeuwenoude neurowetenschappelijke vragen op die nu met de nieuwe technologieën kunnen worden aangepakt. Kun je een geheugenupgrade doen en de capaciteit vergroten? hij vroeg. Hoe worden neurale circuits genetisch gecodeerd? Hoe kun je de genetische instructies herprogrammeren? Hoe repareer je de genetische mutaties die verkeerde bedrading of andere storingen van het neurale systeem veroorzaken? Hoe maak je het oude brein jonger?

Naast het helpen uitvinden van optogenetica, speelde Zhang een centrale rol bij de ontwikkeling van een techniek voor het bewerken van genen, CRISPR genaamd (zie 10 Breakthrough Technologies: Genome Editing, mei/juni). De technologie stelt wetenschappers in staat om een ​​gen te targeten, bijvoorbeeld in neuronen, en het ofwel te verwijderen of te wijzigen. Als het is aangepast om een ​​mutatie op te nemen waarvan bekend is of vermoed wordt dat het hersenaandoeningen veroorzaakt, kunnen wetenschappers de progressie van die aandoeningen bij proefdieren bestuderen. Als alternatief kunnen onderzoekers CRISPR in het laboratorium gebruiken om stamcellen te veranderen die vervolgens tot neuronen kunnen worden gekweekt om de effecten te zien.

Transparantie

Terug in Stanford, wanneer hij geen patiënten met autismespectrumstoornissen of depressie in de kliniek ziet, blijft Deisseroth hulpmiddelen uitvinden die hij en anderen kunnen gebruiken om deze aandoeningen te bestuderen. Afgelopen zomer rapporteerde zijn laboratorium een ​​nieuwe manier voor wetenschappers om de kabels van zenuwvezels, bekend als witte stof, te visualiseren die verre hersengebieden met elkaar verbinden. De techniek, Clarity genaamd, immobiliseert eerst biomoleculen zoals eiwitten en DNA in een plasticachtig gaas dat de fysieke integriteit van een postmortaal brein behoudt. Vervolgens spoelen onderzoekers een soort wasmiddel door het gaas om alle vetten op te lossen in hersenweefsel die normaal licht blokkeren. De hersenen worden transparant gemaakt, waardoor het hele driedimensionale bedradingspatroon plotseling zichtbaar wordt.

Samen transformeren de nieuwe tools veel conventionele opvattingen in de neurowetenschappen. Zoals Deisseroth bijvoorbeeld opmerkte in een overzichtsartikel dat eerder dit jaar in Natuur , heeft optogenetica een aantal van de ideeën ter discussie gesteld die ten grondslag liggen aan diepe hersenstimulatie, die op grote schaal is gebruikt om alles te behandelen, van tremoren en epilepsie tot angst en obsessief-compulsieve stoornis. Niemand weet precies waarom het werkt, maar de uitgangspunten zijn dat de therapeutische effecten het gevolg zijn van elektrische stimulatie van zeer specifieke hersengebieden; neurochirurgen doen buitengewoon veel moeite om elektroden met de grootste precisie te plaatsen.

In 2009 toonden Deisseroth en collega's echter aan dat het specifiek stimuleren van de witte stof, de neurale kabels die toevallig in de buurt van de elektroden liggen, de meest robuuste klinische verbetering van de symptomen van de ziekte van Parkinson opleverde. Met andere woorden, het was niet de buurt van de hersenen die er zoveel toe deed, maar welke neurale snelwegen toevallig in de buurt passeerden. Wetenschappers gebruiken vaak woorden als verrassend en onverwacht om dergelijke recente resultaten te karakteriseren, wat de impact weerspiegelt die optogenetica heeft gehad op het begrip van psychiatrische aandoeningen.

In dezelfde geest wijst Anderson van Caltech erop dat de publieke en wetenschappelijke voorliefde voor functionele MRI-onderzoeken in de afgelopen twee decennia de indruk heeft gewekt dat bepaalde hersengebieden fungeren als centra van neurale activiteit - dat de amygdala het centrum van angst is, bijvoorbeeld, of de hypothalamus is het centrum van agressie. Maar hij vergelijkt fMRI met neerkijken op een nachtelijk landschap vanuit een vliegtuig op 30.000 voet en proberen te achterhalen wat er gaande is in een enkele stad. Optogenetica heeft daarentegen een veel gedetailleerder beeld gegeven van die kleine onderverdeling van cellen in de hypothalamus, en dus een veel complexer en genuanceerder beeld van agressie. Het activeren van specifieke neuronen in dat stadje kan een organisme ertoe aanzetten oorlog te voeren, maar het activeren van de neuronen ernaast kan het ertoe aanzetten om de liefde te bedrijven.

De nieuwe technieken zullen wetenschappers de eerste glimpen van menselijke cognitie in actie geven - een blik op hoe gedachten, gevoelens, voorgevoelens en disfunctionele mentale activiteit voortkomen uit de neurale circuits en uit de activiteit van bepaalde soorten cellen. Onderzoekers beginnen net deze inzichten te verwerven, maar gezien het recente tempo van technologische ontwikkeling, zou het beeld eerder kunnen verschijnen dan iemand ooit voor mogelijk had gehouden toen het licht van de optogenetica een paar jaar geleden voor het eerst flikkerde.

Stephen S. Hall is een wetenschappelijk schrijver en auteur in New York City. Zijn laatste speelfilm voor MIT Technology Review was het repareren van slechte herinneringen.

zich verstoppen