211service.com
Een lichtschakelaar voor de hersenen
Wetenschappers kunnen nu specifieke delen van de hersenen aan- en uitzetten met een simpele lichtflits. De nieuwe moleculaire tool, ontwikkeld door wetenschappers van MIT en Stanford, maakt ongekende controle over de hersenen mogelijk en zou kunnen leiden tot effectievere behandelingen voor epilepsie, Parkinson en andere ziekten. Het kan ook neurowetenschappers helpen de taal van de hersenen te kraken: de informatie die is gecodeerd in de elektrische activiteit van neuronen, die onze herinneringen vormt en al onze bewegingen stuurt.
Wormen training: Een door licht geactiveerde uit-schakelaar kan de beweging van microscopisch kleine wormen regelen. Wetenschappers hebben de wormen ontwikkeld om de omschakeling tot uitdrukking te brengen in motorneuronen die het vermogen van de organismen om te zwemmen regelen. Zonder licht zwemmen de wormen normaal. Maar wanneer ze worden blootgesteld aan geel licht, zoals aangegeven door de gele cirkel, kunnen hun motorneuronen niet meer functioneren, waardoor de wormen verlamd raken.
In veel opzichten denk ik dat het een revolutie teweeg zal brengen in het veld, zegt Michael Hausser, een neurowetenschapper aan het University College London die een commentaar schreef bij het onderzoek, dat vandaag is gepubliceerd in Natuur en vorige maand in Public Library of Science One . Het zou de stimulerende elektrode kunnen vervangen, die de afgelopen 100 jaar het belangrijkste hulpmiddel is geweest voor neurofysiologen. Het zou ook klinische toepassingen kunnen verbeteren waarbij geïmplanteerde elektroden nuttig zijn gebleken door excitatie of remming op specifieke cellen te richten.
Neuronen coderen informatie met een reeks elektrische pulsen die tussen cellen worden verzonden. Neurowetenschappers hebben van oudsher de functie van hersencellen bestudeerd door elektrische schokken te sturen die worden geleverd door een elektrode, die activiteit in neuronen veroorzaakt. Het is echter moeilijk om die activiteit op een specifiek type cel te richten en er is geen overeenkomstige behandeling om cellen uit te schakelen.
Vorig jaar hebben Karl Deisseroth, een bio-ingenieur en arts aan Stanford, en Ed Boyden, een bio-ingenieur aan het MIT, een lichtgevoelig kanaal van kwallen gecoöpteerd om een genetische schakelaar te creëren. Het kanaal zit op het celmembraan en opent wanneer het wordt blootgesteld aan licht, waardoor positieve lading de cel in kan stromen. Schijnbaar licht op neuronen die genetisch gemanipuleerd zijn om het kanaal te dragen, triggert elektrische activiteit in de cel die zich vervolgens verspreidt naar het volgende neuron in het circuit. (Wetenschappers gebruiken optische vezels om licht in de hersenen te laten schijnen.)
multimedia
Bekijk een video van het lichteffect op de gemanipuleerde wormen.
Deisseroth en Boyden hebben nu onafhankelijk een uit-schakelaar gemaakt die met een soortgelijk mechanisme werkt. Deze keer gebruikten de wetenschappers een gen dat codeert voor een eiwitpomp: wanneer het wordt geraakt met geel licht, pompt het negatieve lading de cel in, waardoor het neuron niet kan vuren. Beide schakelaars kunnen in dezelfde cel worden gebruikt, waardoor neurowetenschappers effectief een lichtschakelaar hebben die kan worden gebruikt om neurale activiteit in en uit te schakelen.
Dit hernieuwde vermogen om neuronen nauwkeurig te controleren, zou eindelijk antwoorden kunnen geven op belangrijke vragen over de hersenen. Het kan wetenschappers helpen de specifieke cellen of neurale activiteitspatronen te vinden die betrokken zijn bij cognitieve processen, zoals aandacht, of in het bijzonder ziekten, zoals epilepsie.
Zowel epilepsie als de ziekte van Parkinson kunnen worden behandeld met elektroden die in de hersenen worden geïmplanteerd. Maar de elektriciteit die door de elektrode wordt geleverd, stimuleert alle nabijgelegen cellen in plaats van alleen de zieke, waardoor de bijwerkingen toenemen en mogelijk de effectiviteit van de behandeling afneemt. Het is de bron van ongelooflijke frustratie geweest, zegt Deisseroth, een praktiserend psychiater die elektrische stimulatie test als een behandeling voor ernstige depressie. We weten dat we behandelingsvoordelen kunnen behalen door elektroden in de hersenen te plakken, maar we weten niet echt wat het doelceltype is.
Deisseroth en Boyden gebruiken nu de lichtschakelaars om diermodellen van deze ziekten te bestuderen om erachter te komen welke cellen precies aan- of uitgeschakeld moeten worden. Hun bevindingen zouden kunnen worden gebruikt om nieuwe medicijnen te ontwikkelen die alleen op die cellen zijn gericht of, op een dag, om elektroden te vervangen door nauwkeuriger door licht geactiveerde implantaten.
De omschakeling kan ook helpen bij het decoderen van de taal van de hersenen door neurowetenschappers te helpen bepalen hoe verschillende patronen van neurale activiteit aanleiding geven tot complexe gedachten en acties. Recent onderzoek heeft bijvoorbeeld gesuggereerd dat ritmische elektrische patronen in onze hersenen belangrijk zijn voor ons vermogen om op te letten. Wetenschappers zouden de schakelaar kunnen gebruiken om deze patronen bij dieren te verstoren en te kijken of het hun aandachtsvermogen wegvaagt. Of ze kunnen proberen deze patronen op te wekken en kijken of dit de focus van de dieren verbetert. Dit is al heel lang een droom van neurowetenschappers, zegt Hausser. In staat zijn om het spatiotemporele patroon van activiteit in een netwerk te manipuleren en de code te vinden die gekoppeld is aan een bepaald soort gedrag.
Bovendien kunnen wetenschappers de specifieke eenheden van de neurale code manipuleren - de pulsen of pieken van elektrische activiteit die tussen cellen worden overgedragen. We hebben laten zien dat we spikes kunnen rondduwen, blokkeren, vertragen, zegt Boyden. We kunnen neurale codering echt veranderen op een tijdschaal van milliseconden. Dat zou wetenschappers in staat moeten stellen te bepalen welk aspect van de code - de timing van de spikes of de snelheid van de spikes - codeert voor informatie in de hersenen, een debat dat al tientallen jaren woedt.