211service.com
Een betere manier om de hersenen te onderzoeken
Polina Anikeeva, PhD '09, ontwikkelt materialen die low-impact of zelfs draadloze verbindingen met het zenuwstelsel bieden, waardoor onderzoekers gegevens van individuele hersencellen kunnen stimuleren en verzamelen. 21 april 2015
De hersenen worden vaak beschreven als de meest complexe structuur die we kennen: een veelvoud aan cellen, samengevoegd tot netwerken en bruisen van elektrische en chemische activiteit. Als materiaalwetenschapper weet Polina Anikeeva, PhD '09, ook dat de hersenen veel zachter en buigzamer zijn dan de apparaten die we gebruiken om ze te bestuderen. Het heeft eigenlijk de elastische eigenschappen van chocoladepudding, zegt Anikeeva, een assistent-professor materiaalkunde en techniek aan het MIT. Je kunt het lepelen als je wilt.
Maar wanneer wetenschappers de hersenen proberen te verkennen, vertrouwen ze meestal op stijve en scherpe materialen, zoals siliciumsondes en stalen elektroden. Dat is ongeveer net zo logisch, zegt ze, als pudding met een mes doorsnijden.
Bij neurale implantaten voor mensen, zoals apparaten voor diepe hersenstimulatie, kan de mismatch ernstige gevolgen hebben. Stijve elektroden kunnen door weefsel snijden als de hersenen schudden. Cellen van het immuunsysteem en nabijgelegen weefsel zwermen naar binnen en omringen elk implantaat met littekenweefsel. Soortgelijke problemen gelden voor neurale interfaces voor het ruggenmerg.
Anikeeva, die het Bioelectronics Lab van MIT leidt, ontwikkelt betere manieren om te communiceren met de hersenen en het ruggenmerg. Hoewel haar laboratorium nog geen vier jaar oud is, hebben vooraanstaande tijdschriften een reeks artikelen van haar groep gepubliceerd waarin nieuwe technologieën worden gedemonstreerd, waaronder dunne, flexibele polymeervezelsondes voor het stimuleren en registreren van activiteit van neuronen, evenals magnetische nanodeeltjes die kunnen worden gebruikt om stimuleer ze zonder draden. Het doel is om de hersenen met een zachtere aanraking te onderzoeken - en wel om dit precies te doen, terwijl verschillende functies in één apparaat worden geïntegreerd.
Het werk van Anikeeva stelt andere wetenschappers al in staat om nieuwe soorten onderzoek naar de hersenen en het ruggenmerg uit te voeren. Uiteindelijk zouden de materialen die ze maakt een minder ingrijpende manier kunnen bieden om apparaten met het menselijk lichaam te verbinden om neurologische ziekten te behandelen of beweging te herstellen.
Wetenschap nerd
Ik was in wezen een wetenschapsnerd vanaf het allereerste begin, zegt Anikeeva. Ze groeide op in Sint-Petersburg, Rusland, als dochter van ouders die beiden een opleiding tot werktuigbouwkundig ingenieur volgden. (Haar moeder hielp bij het ontwerpen van nucleaire onderzeeërs vóór de ineenstorting van de Sovjet-Unie.) Op 12-jarige leeftijd werd ze toegelaten tot de prestigieuze Physical-Technical High School, die is aangesloten bij het Ioffe Physical-Technical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen. De school heeft slechts 180 studenten en heeft zes dagen per week lessen; het doel is om toekomstige onderzoekers klaar te stomen. Het is moeilijker om binnen te komen dan om binnen te komen bij MIT, zegt ze.
Anikeeva studeerde biofysica aan de Polytechnische Staatsuniversiteit van Sint-Petersburg; op een uitwisselingsprogramma aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich leerde ze de structuur van eiwitten analyseren met behulp van kernmagnetische resonantiespectroscopie. Na haar afstuderen liep ze een jaar stage bij Los Alamos National Laboratory in New Mexico, waar ze zonnecellen ontwierp van halfgeleider nanokristallen die bekend staan als quantum dots.
Toen ze graduate schools bezocht, viel MIT zowel op door haar studenten als haar faculteit. Ik had het gevoel dat ik bij MIT omringd zou zijn door echt getalenteerde mensen die fanatiek zijn over hun werk, zegt ze. Ze begon haar promotieonderzoek in 2004 in het laboratorium van Vladimir Bulović, destijds universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica, die nieuwe elektronische en optische apparaten ontwikkelde met behulp van nanotechnologie. Daar pionierde ze een techniek om LED's te maken door kwantumstippen te gebruiken om licht van verschillende kleuren te genereren.
Anikeeva werkte graag met nanomaterialen, maar had ook een passie voor biologie. We hebben zulke geavanceerde technologieën in onze mobiele telefoons - we hebben deze prachtige schermen, ultramoderne computermodules, transistors, circuits, enzovoort, zegt ze. Ze wilde een aantal van die vorderingen benutten om de technologie voor het lichaam te verbeteren. Maar voordat ik arrogant zou gaan om problemen op te lossen waarvan ik niet wist dat ze bestonden, zei ze, besloot ik dat ik echt wat tijd in een biologische omgeving moest doorbrengen.
Anikeeva onderzoekt een partij vezels, die elk een enkele elektrode bevatten. Ze zullen rond holle buizen worden gerangschikt en worden uitgerekt om 100 micrometer brede neurale sondes te vormen die medicijnen kunnen afgeven en informatie kunnen vastleggen.
Die beslissing leidde haar naar het neurowetenschappelijk laboratorium van Karl Deisseroth aan de Stanford University. Zijn groep was bezig met baanbrekend werk op het gebied van optogenetica, waarbij licht wordt gebruikt om cellen in dierlijke hersenen te stimuleren die zijn ontwikkeld om door licht geactiveerde eiwitten te bevatten. Toen ik zag dat ze methoden ontwikkelden om de hersenen optisch aan te sturen, stond ik versteld, zegt ze. Het suggereerde ook een nieuwe manier om haar vaardigheden toe te passen. Het brein betekent actiepotentialen en spanningen - ik dacht dat ik als opto-elektronica-persoon achter spanning kan komen, zegt ze. Het is iets dat ik enige kans heb om het te begrijpen.
Deisseroths groep had hardware nodig om licht naar specifieke gebieden van muizenhersenen te sturen en tegelijkertijd elektrische opnamen te maken van de verlichte cellen. Tijdens een tweejarige postdoc die in 2009 begon, ontwikkelde Anikeeva een sonde die geavanceerder was dan degene die ze gebruikten; haar versie omvatte meerdere elektroden langs de optische vezel. Dat was een belangrijke stap om rijke uitlezingen terug te krijgen van de glasvezelinterface, zegt Deisseroth.
De ervaring leerde Anikeeva hoe ze experimenten moest doen en met dieren moest werken - en het gaf haar problemen om op te lossen. Nadat ik deze meer basale neurobiologische training had gekregen, moest ik nadenken over de hulpmiddelen die we gebruikten, zegt ze. Die technologieën zijn echt vrij primitief. Ze waren te groot en te omvangrijk en hadden niet genoeg capaciteit. De biologen waarmee Anikeeva samenwerkte, manipuleerden afzonderlijke draden onder microscopen, in tegenstelling tot geavanceerde fabricagetechnieken die in de elektronica-industrie worden gebruikt.
Ik vond dat we het beter moesten kunnen doen, zegt ze. En toen ze een facultaire positie aan het MIT aangeboden kreeg, werd dat uitgangspunt de basis van haar eigen lab. In haar huidige werk brengt Anikeeva haar expertise in materiaalwetenschap in op neurowetenschappen. Ze is ongelooflijk getalenteerd, wat ze ook in handen krijgt, zegt Bulović, nu hoogleraar opkomende technologie, associate dean for innovation van de School of Engineering en mededirecteur van het MIT Innovation Initiative. Ze nam al deze ervaringen die ze opdeed … en erkende dat ze ze kon samenvoegen tot een coherent geheel.
Een betere hamer
In een kelderlab aan het MIT, Andres Canales, ziet SM '13, een promovendus in de groep van Anikeeva, een fysieke transformatie plaatsvinden: een cilinder van polymeren en metaal wordt langzaam gesmolten en tot een lange, vermicelli-achtige draad van een hoge toren in een hoek van de kamer. Een van de redenen waarom Anikeeva graag terug wilde naar het MIT, was om samen te werken met Yoel Fink, de directeur van het Research Laboratory of Electronics en een toonaangevende innovator in deze techniek van het trekken van vezels, waarbij materialen worden samengevoegd, verwarmd en als taffy in ultradunne vezels die de oorspronkelijke structuur en functionaliteit behouden. Fink heeft met haar laboratorium zowel zijn expertise als de vezelspintoren gedeeld, die nauwkeurige controle biedt en de mogelijkheid om functies tot een microscopisch niveau te verminderen (zie demo).
Dankzij deze samenwerking heeft haar team optische golfgeleiders, elektroden en kanalen voor medicijnafgifte geïntegreerd in een enkele vezel die zo dun kan zijn als een mensenhaar en flexibel genoeg om rond een vinger te wikkelen. En van cruciaal belang: deze apparaten worden niet door het lichaam afgewezen.
Dat soort vermogen zou neurowetenschappers kunnen helpen die complexe hersenfuncties bij muizen proberen te ontwarren. Guoping Feng, hoogleraar hersen- en cognitieve wetenschappen aan het McGovern Institute van MIT, gebruikt Anikeeva's sondes om psychiatrische ziekten zoals autisme en obsessief-compulsieve stoornis te bestuderen. Zijn werk omvat het kijken naar de communicatie tussen neuronen in de hersenen en de relatie tussen genen, hersencircuits en gedrag. Om deze processen bij levende dieren te observeren, moeten onderzoekers in staat zijn om specifieke circuits nauwkeurig te manipuleren en activiteit van de gemanipuleerde cellen te registreren. Met een dun, multifunctioneel apparaat, zegt hij, kun je alle mogelijkheden hebben met minimale verstoring of schade aan het hersenweefsel.
De apparaten kunnen ook worden gebruikt in het ruggenmerg, dat moeilijk toegankelijk is en een flexibel apparaat vereist omdat het vaak beweegt en zich uitstrekt. Hoewel elektrische stimulatie van het ruggenmerg beweging kan oproepen bij verlamde dieren en klinisch is gebruikt bij mensen met bescheiden resultaten, zegt Chet Moritz, een professor in revalidatiegeneeskunde aan de Universiteit van Washington in Seattle, dat optische stimulatie een nauwkeurigere controle zou kunnen geven van specifieke cellen. Elektrische stimulatie is een vrij grote hamer, zegt hij. Met optogenetica kunt u er redelijk zeker van zijn dat u een specifiek circuit activeert.
Moritz werkt aan het stimuleren van het bovenste ruggenmerg - uiteindelijk om bewegingen zoals reiken en grijpen te herstellen, waarvoor meer finesse nodig is dan lopen. Om dat te doen, moet hij zich rechtstreeks richten op specifieke neuronen. In samenwerking met Anikeeva test hij de haalbaarheid van het gebruik van licht om het ruggenmerg van ratten te stimuleren met het oog op het reanimeren van verlamde ledematen.
Draadloze hersenstimulatie
Ondertussen streeft Anikeeva naar technologieën die specifieke hersengebieden kunnen stimuleren zonder helemaal geen draden. In een recent artikel in , haar groep demonstreerde een techniek die magnetische velden en geïnjecteerde nanodeeltjes gebruikt om cellen diep in de hersenen van muizen te activeren.
Hierbij worden magnetische nanodeeltjes verwarmd met behulp van wisselende magnetische velden, die gemakkelijk door hersenweefsel gaan zonder het aan te tasten. Decennialang hebben onderzoekers gewerkt aan technieken om magnetische nanodeeltjes in tumoren te injecteren en deze met magneten te verwarmen om de kankercellen te doden. Maar in plaats van cellen te vernietigen, wilde Anikeeva een snelle uitbarsting van hitte creëren die neuronen zou laten vuren.
Andere wetenschappers hebben een vergelijkbare benadering gebruikt om cellen te stimuleren die zijn ontwikkeld om het warmtegevoelige eiwit TRPV1 tot expressie te brengen. Maar Anikeeva zegt dat de cellen in deze onderzoeken te traag reageerden voor het soort directe stimulatie dat ze wil bereiken.
Haar team, geleid door afgestudeerde studenten Ritchie Chen, SM '13 en Michael Christiansen, begon te modelleren hoe magnetische nanodeeltjes warmte afvoeren. De deeltjes richten zich op een magnetisch veld en richten zich opnieuw wanneer de richting verandert, waarbij daarbij warmte vrijkomt. De modellen toonden aan dat dit effect sterker was als de grootte en vorm van de deeltjes overeenkwamen met de eigenschappen van het magnetische veld. Door het ontwerp van zowel de magnetische spoelen als de nanodeeltjes af te stemmen, konden de onderzoekers sneller meer warmte produceren.
De deeltjes zijn gemaakt van ijzeroxide (vaak gebruikt als contrastmiddel in MRI's) en bedekt met polymeren om te voorkomen dat het immuunsysteem ze wegvaagt. Het team van Anikeeva gebruikte een virus om het gen voor TRPV1 af te leveren in cellen in een specifiek deel van de hersenen van muizen. Daarna injecteerden ze dezelfde regio met de nanodeeltjes. Onder het magnetische veld warmden de deeltjes op, waardoor de gemodificeerde neuronen vuren.
Anikeeva onderzoekt nu of het variëren van de magnetische velden en de samenstelling van de deeltjes het mogelijk kan maken om meerdere celtypen of hersencircuits aan te vallen. En hoewel deze studie genetische manipulatie gebruikte om een warmtegevoelig eiwit in muizencellen te krijgen, zegt ze dat TRPV1 veel voorkomt in het menselijk brein, dus dat knutselen is misschien niet nodig om de techniek bij mensen te gebruiken.
Deze demonstratie, hoe voorlopig ook, wijst in de richting van een veel minder invasieve manier om cellen diep in de hersenen te stimuleren. Momenteel hebben patiënten die diepe hersenstimulatie krijgen voor aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson een operatie nodig om elektroden te implanteren die zijn aangesloten op een externe batterij. Deze muizen kregen een simpele injectie en de magnetische nanodeeltjes bleven een maand later actief. Op een dag, stelt ze zich voor, zouden patiënten een magnetisch medicijn kunnen krijgen en elke dag een voorgeschreven hoeveelheid tijd in de buurt van een magnetisch apparaat kunnen doorbrengen.
De groep van Anikeeva verfijnt deze technologieën en zoekt medewerkers die ze op de proef zullen stellen. Ze stelt zich voor om sondes van zacht polymeer te gebruiken om de hersenen nauwkeurig in kaart te brengen, of om een medicijn of optische stimulatie af te geven en vervolgens het effect ervan op de celactiviteit te volgen.
Ze is ook zeer geïnteresseerd in het gebruik van de technologieën als neurale interfaces om verlammende verwondingen te behandelen. Toen een vriend een ernstige dwarslaesie opliep tijdens het bergbeklimmen, werd Anikeeva getroffen door de primitieve stand van de technologie voor revalidatie en herstel van beweging. Het heeft mijn onderzoeksprogramma op zeer diepgaande manieren beïnvloed, zegt ze.
Anikeeva is zelf een enthousiaste bergbeklimmer en afstandsloper. Ze is vooral geïnteresseerd in beweging omdat ze het essentieel vindt voor haar eigen denken. Klimmen is een groot, bepalend onderdeel van mijn leven, zegt ze, en ze lost vaak problemen op terwijl ze twee of drie uur per keer hardloopt. Ik sport nooit met muziek, zegt ze. In wezen is het ik tegen mijn brein.