Het groene gedeelte is het neurale netwerk, rechts het ‘biologische neurale netwerk’ in een kweekschaaltje (afb: Nature)

Er zijn veel wetenschappers bezig om een ‘aansluiting’ te zoeken tussen elektronica en onze hersens. Het idee bestaat dat dat kan helpen om problemen in ons denkraam te verhelpen. Nu lijken onderzoekers er in geslaagd te zijn om elektronische neurale netwerken te koppelen aan biologische neurale netwerken (de hersens). Beide systemen communiceren via lichtsignalen. Het idee is die hersencellen ‘aan te sturen’ met uiteindelijk doel een ‘hersenprothese’ te maken. Zoiets als een kunsthand, maar dan veel ingrijpender (lijkt me).
Een prothese is een hulpmiddel dat een ontbrekende of teloor gegane functie in/van ons lichaam moet invullen. We praten in dit geval niet over een houten been of een kunsthand, maar een hersenprothese. Een internationale groep onder aanvoering van Ikerbasqueonderzoeker Paolo Bonifazi heeft zich ten doel gesteld een hersenprothese te maken.
Er zijn wel kunstmatige ‘neuronen’ ontwikkeld, maar die zouden weinig nut hebben voor zo’n prothese, vinden de onderzoekers. Een van de grootste hinderpalen is dat hersencellen onderling een zeer verfijnde communicatie onderhouden, maar de elektrische pulsen van een elektrisch neuraal netwerk hebben geen betekenis voor de hersencellen. Om dat probleem te verhelpen schakelden Bonifazi en de zijnen over op licht als communicatiemiddel. Volgens medeonderzoeker Timothée Levi heeft de vooruitgang van de optogenetica het mogelijk gemaakt zeer nauwkeurig neuronen ‘aan te spreken’ in een heel klein gebied van het biologische neurale netwerk.

Optogenetica

Optogenetica is een techniek die gebruik maakt van lichtgevoelige eiwitten die, bijvoorbeeld, in algen voorkomen. Als je het daarvoor verantwoordelijk gen invoegt in hersencellen, dan kan dat met behulp van lichtsignalen in- en uit worden geschakeld, afhankelijk van het eiwit. In dit onderzoek gebruikten de onderzoekers eiwitten die gevoelig zijn voor blauw licht.
Bij hun proef werd het elektrisch signaal van het (kunstmatige) neurale netwerk omgezet in een schaakpatroon van blauwe en zwarte vlakjes. Daarmee werd een biologische neuraal netwerk in een petrischaaltje ter grootte van 0,8 bij 0,8 mm beschenen. Binnen dat vierkantje reageerden alleen de neuronen die door blauw licht beschenen werden.
Spontane (?) activiteit in gekweekte hersencellen veroorzaakt een synchrone activiteit volgens een bepaald ritme. Dat wordt bepaald door de verbinding tussen de hersencellen, het type hersencellen en hun vermogen zich aan te passen en te veranderen.
Levi: “De truc is de ritmes van de kunstmatige neuronen te laten overeenstemmen met die van de echte hersencellen. Als we dat konden dan reageerden de echte hersencellen op de ‘melodieën’ van de kunstmatige.” De onderzoekers lieten de kunstmatige ‘hersencellen’ verschillende ‘riedeltjes’ afwerken tot ze reactie kregen. Groepen neuronen werden toegewezen aan specifieke beeldpunten in het ‘plaatje’ dat het neurale netwerk maakte en de ritmische activiteit slaagde er vervolgens in het ‘plaatje’ te veranderen dat op de hersencellen werd geprojecteerd. Die lichtpatronen werd op een zeer klein stukje kweekweefsel geprojecteerd. Dat leverde zowel lokale veranderingen op bij die hersencellen als veranderingen van dat hele gebiedje.

“Optogenetica integreren in het systeem is een stap op weg naar toepassing”, zegt Levi. “Daardoor kun je biomimetische protheses laten communiceren met bepaalde hersencellen of met bepaalde circuits.” De onderzoekers denken dat dit soort protheses het gat zouden kunnen opvullen dat is ontstaan door hersenschade of die de communicatie tussen hersendelen zouden kunnen herstellen.

Bron: Science Daily</em>