Frontiers for Young Minds

Speciale cellen in de hersenen en het zenuwstelsel, neuronen genaamd, werken samen om al onze gedachten en gedragingen te produceren. Om te begrijpen hoe de hersenen gedrag sturen, moeten we begrijpen hoe neuronen communiceren. Het menselijk brein is zeer complex, maar veel van de eigenschappen van het menselijk brein zijn vergelijkbaar met die van andere dieren. Dit betekent dat neurowetenschappers (wetenschappers die de hersenen en het zenuwstelsel bestuderen) eenvoudige dieren kunnen gebruiken om nieuwe dingen over het menselijk brein te ontdekken. Zo werd de communicatie tussen neuronen ontdekt.

Hoe communiceren neuronen met elkaar?

Neuronen communiceren door een combinatie van elektrische en chemische activiteit. Vroege wetenschappers ontdekten dit door observaties en slimme experimenten. Eind 1700 liep een Italiaanse wetenschapper, Luigi Galvani, tijdens een onweersbui over een markt. Hij zag een paar kikkerbilletjes te koop en merkte op dat ze trilden. Hij veronderstelde dat de elektriciteit van het onweer de zenuwen in de kikkerbilletjes activeerde. Hij besloot deze hypothese in zijn laboratorium te testen. Galvani gebruikte een voorwerp dat elektrische stroom laat lopen, een elektrode genaamd, om een elektrische stroom door te geven aan de kikkerzenuw. Hierdoor begon de kikkerpoot te trillen. Dit was het eerste onderzoek naar elektrische stimulatie in de neurowetenschappen. Uit deze bevinding concludeerde Galvani dat neuronen elektrische signalen kunnen gebruiken om informatie door te geven. Dit is belangrijk om te weten! Nu we weten hoe neuronen met elkaar praten, kunnen we beginnen hun taal te spreken. We kunnen elektrische signalen gebruiken om sommige neuronen aan te zetten, en zien wat er dan gebeurt. Dit is precies wat wetenschappers begonnen te doen.

Tot in de jaren 1930 werd elektrische stimulatie gebruikt om de menselijke hersenen in kaart te brengen. Dr. Wilder Penfield, een hersenchirurg, werkte met patiënten die epilepsie hadden. Epilepsie veroorzaakt abnormale elektrische signalen in de hersenen en kan zeer gevaarlijk zijn. In extreme gevallen is een hersenoperatie nodig om de epilepsie te stoppen. Dr. Penfield wilde de hersenen van zijn patiënten in kaart brengen om uit te vinden welke delen van de hersenen het belangrijkst waren. Dit zou hem helpen te weten welke hersengebieden hij beter niet kon opereren. Om de hersenen in kaart te brengen, gebruikte hij elektrische stimulatie, net zoals Galvani had gedaan. Hij liet een kleine elektrode zakken in de motorische (bewegings) gebieden van de hersenen. Vervolgens zond hij een klein elektrisch signaal uit en observeerde de bewegingen van de patiënt. Stimulatie in één gebied van de hersenen veroorzaakte een stuiptrekking van de vingers, terwijl stimulatie in een iets ander gebied van de hersenen een stuiptrekking van de voeten veroorzaakte. Hierdoor realiseerde Dr. Penfield zich dat bepaalde delen van de hersenen zeer specifieke delen van het lichaam besturen. Dr. Penfield merkte op dat de locatie van de motorische gebieden van de hersenen bij al zijn patiënten gelijk was. Hij maakte diagrammen van zijn resultaten, die ons de eerste functionele kaart van de motorische gebieden in de menselijke hersenen gaven. Dr. Penfield’s functionele kaarten, bekend als de homunculus, worden vandaag de dag nog steeds gebruikt.

Sinds de jaren 1930 zijn de experimenten met hersenstimulatie veranderd. Elektrische stimulatie studies hebben een aantal nadelen. Eén probleem is dat de hersenen beschadigd kunnen raken wanneer een elektrode wordt ingebracht. Een ander probleem is dat elektrische stimulatie weefsel op een zeer algemene, niet-selectieve manier activeert (figuur 1A). Het is als het gebruik van een bulldozer wanneer een schop volstaat – de bulldozer is doeltreffend, maar niet erg precies of voorzichtig. In 2005 werd een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee de hersenen nauwkeuriger kunnen worden gestimuleerd. Deze techniek wordt optogenetica genoemd.

Wat is optogenetica?

Optogenetica is een methode om de activiteit van een neuron te controleren met behulp van licht en genetische manipulatie. Genetische manipulatie is een proces waarbij wetenschappers de informatie in de genetische code (de blauwdrukken) van een levend wezen veranderen. Bij optogenetische studies nemen wetenschappers de genetische code van de neuronen die zij willen bestuderen en voegen daar een nieuw stukje code aan toe. De nieuwe code stelt deze neuronen in staat speciale eiwitten te maken, opsines genaamd, die op licht reageren. Opsines komen van nature voor en werden voor het eerst ontdekt in algen, die deze eiwitten gebruiken om hen te helpen zich naar het licht te bewegen. Maar hoe komt de opsine in het neuron? Dit vereist enkele gespecialiseerde laboratoriumtechnieken. Laten we eens kijken naar een muis als voorbeeld. Om het opsine in de neuronen van een muis te krijgen, moet de genetische code voor het opsine zorgvuldig worden ingevoegd in de genetische code voor de neuronen in de muis. Als dit correct is gedaan, zou nu elk neuron in de muis het opsine moeten hebben. Omdat we veel begrijpen van de genetische code van de muis, kunnen we kiezen waar we het opsine willen plaatsen. We kunnen de code in een specifiek type neuron stoppen, of in een specifieke plaats in de hersenen. We kunnen precies kiezen welke neuronen we willen controleren.

In de neurowetenschappen wordt het meest populaire opsine channelrhodopsin-2 (ChR2) genoemd. Dit opsine is afkomstig van de groene alg Chlamydomonas reinhardtii. ChR2 wordt geactiveerd door blauw licht, wat betekent dat het alleen werkt als er blauw licht op schijnt en dat het niet reageert op andere soorten licht. Wanneer ChR2 in neuronen wordt ingebracht, betekent dit dat de neuronen met blauw licht kunnen worden aangezet. De neuronen met ChR2 zullen alleen aan staan zolang het blauwe licht erop schijnt. Dit geeft ons precieze controle over de timing van de activiteit van het neuron. Normaal worden neuronen niet beïnvloed door blauw licht (figuur 1B), dus alleen de neuronen met ChR2 zullen door blauw licht worden beïnvloed (figuur 1C).

Optogenetische stimulatie is specifieker dan elektrische stimulatie

Net zoals er vele wegen in een stad zijn, zijn er vele paden in de hersenen. Als we willen weten hoe punt A met punt B in een stad verbonden is, kunnen we gewoon naar alle wegen kijken en een wegenkaart tekenen. Dit is een soort structurele kaart: het helpt ons te begrijpen hoe de wegen zijn aangelegd. Maar er zijn meestal veel manieren om van punt A naar punt B te komen, dus hoe weten we welke weg het populairst is? Om daar achter te komen, moeten we kijken naar de auto’s die op de wegen rijden terwijl ze van Punt A naar Punt B gaan. Dit is een functionele kaart: zij helpt ons te begrijpen hoe de wegen worden gebruikt. In de hersenen zijn de neuronen als de wegen, en de signalen die van neuron naar neuron gaan zijn als de auto’s. Normaal gesproken zijn de hersenen zeer actief en zijn er voortdurend veel auto’s op de weg. Overal op de kaart van de hersenen beginnen en stoppen auto’s op verschillende tijdstippen hun ritjes. Omdat er zoveel activiteit is, kunnen we geen patronen zien of begrijpen hoe dingen met elkaar in verband staan. Om de patronen te achterhalen, zou het nuttig zijn te kunnen bepalen wanneer en waar de auto’s hun reis beginnen.

Stel u voor dat er auto’s staan op elke oprit in onze stad. Deze auto’s wachten op een signaal om de weg op te gaan (figuur 2A). In een elektrische stimulatie studie, kunnen we controleren wanneer de auto’s beginnen te rijden, maar we hebben niet veel controle over welke auto’s zullen gaan op de wegen. Bij elektrische stimulatie is de stimulatie algemeen. Alle auto’s in de buurt van de stimulatie zullen de weg op worden gestuurd. Dit betekent dat er veel activiteit te volgen is (figuur 2B). In een optogenetische stimulatie studie, kunnen we precies kiezen welke auto’s we willen gaan op de weg en wanneer. We kunnen een groep auto’s kiezen op basis van locatie (bijvoorbeeld, we kunnen ervoor kiezen om alle auto’s in een wijk de weg op te laten gaan), of we kunnen kiezen op basis van type auto (bijvoorbeeld, we kunnen ervoor kiezen om alleen vrachtwagens de weg op te laten gaan) (figuur 2C). Dit is selectieve stimulatie. De beweging van de auto’s is in dit geval veel gemakkelijker te volgen. Het vertelt ons meer over hoe specifieke auto’s op de wegen functioneren.

Hoe wordt Optogenetics gebruikt om de hersenen in kaart te brengen?

Optogenetics kan worden gebruikt op verschillende manieren voor het in kaart brengen van de hersenen van de muis (besproken in Ref. ).

Net zoals we kunnen uitzoomen op een wegenkaart van een stad om de belangrijkste snelwegen te zien (Figuur 3A), of inzoomen op de kaart om een enkel stadsblok te zien (Figuur 3B), kunnen we ook in- of uitzoomen op de hersenen. We kunnen vanuit de hersenen uitzoomen om te zien hoe grote delen van de hersenen met elkaar in verbinding staan en samenwerken (figuur 3C). Dit grote beeld is goed als we geïnteresseerd zijn in de manier waarop informatie zich over grote afstanden in de hersenen verplaatst, of welke gebieden van de hersenen met elkaar verbonden zijn. Bijvoorbeeld, grote steden hebben de neiging om meer wegen en snelwegen die door hen, omdat veel mensen reizen naar en van deze steden. Door met optogenetica een hersengebied te stimuleren en de reacties in andere hersengebieden te registreren, kunnen we erachter komen in welke hersengebieden het meeste verkeer is. Dit is belangrijk om te begrijpen hoe bepaald gedrag tot stand komt, maar het kan ook belangrijk zijn om te begrijpen wat er gebeurt als de hersenen in een bepaald gebied beschadigd raken (bijvoorbeeld, als er een ongeluk gebeurt in de vierde straat, hoe zal het verkeer zich dan herrouteren?).

We kunnen ook inzoomen op de hersenen om te zien hoe individuele neuronen met elkaar in verbinding staan (figuur 3D). Met optogenetica kunnen we onderzoeken hoe de neuronen samenwerken, door licht te gebruiken om sommige neuronen aan te zetten en de reactie van de andere neuronen te registreren. Dit gedetailleerde beeld is nuttig om te begrijpen hoe en wanneer de neuronen met elkaar communiceren. Dit zou zeer nuttig kunnen zijn voor het onderzoeken van ziekten die de communicatie tussen neuronen in een bepaald gebied verstoren, wat gebeurt wanneer iemand een beroerte krijgt (lees meer hierover in het volgende hoofdstuk).

Optogenetische kartering schept veel mogelijkheden voor het onderzoeken van de werking van de hersenen. Naarmate optogenetische technieken verbeteren en er meer opsines worden gemaakt of ontdekt, is er de mogelijkheid voor nog meer controle in hersenstimulatiestudies. Misschien zullen we in staat zijn om meerdere opsines te gebruiken om verschillende soorten neuronen tegelijk te besturen. Omdat elk opsine reageert op een specifiek soort licht, kunnen we verschillend licht gebruiken om verschillende soorten neuronen te controleren. In feite werken sommige opsines om neuronen uit te schakelen wanneer het juiste type licht aanwezig is.

In ons voorbeeld van het in kaart brengen van auto’s in de stad, zouden we meerdere signalen kunnen gebruiken om de beweging van de auto’s te controleren. We zouden een set auto’s de weg op kunnen laten gaan als we een signaal geven (zeg, blauw licht) en een andere set auto’s de weg op laten gaan als we een ander signaal geven (zeg, een rood licht). Met deze opstelling zouden we kunnen gaan experimenteren met deze twee groepen auto’s: wat gebeurt er als de auto’s met rood licht eerst gaan? Wat gebeurt er als de auto’s met blauw licht eerst gaan? Wat gebeurt er als ze op hetzelfde moment gaan? Dit zou ons helpen te begrijpen hoe deze verschillende sets auto’s op elkaar inwerken.

Dus hoe kiest een wetenschapper welke techniek of welk opsine te gebruiken? Het antwoord hangt af van de vraag die de wetenschapper wil onderzoeken. Het volgende deel zal enkele van de vragen die zijn onderzocht met behulp van optogenetica belichten.

Recente ontdekkingen met behulp van Optogenetica

Hersenwetenschappers begonnen met het gebruik van optogenetica in 2005 . Sindsdien zijn optogenetische methoden gebruikt om de hersenen te bestuderen vanuit veel verschillende gezichtspunten – van de communicatie van een cluster van individuele neuronen, tot de interacties tussen grote hersengebieden (besproken in Ref. ). Vele andere studies hebben gebruik gemaakt van optogenetische methoden om verschillende onderwerpen en vragen te onderzoeken. Enkele recente vragen zijn: waar zit angst in de hersenen? Hoe wordt risico en beloning berekend? Hoe worden herinneringen opgeslagen? (besproken in Ref. ). Wij hebben optogenetica bij muizen gebruikt om te onderzoeken hoe de hersenen veranderen na een beroerte. Een beroerte vindt plaats wanneer de bloedtoevoer naar een deel van de hersenen wordt verstoord of verminderd. Dit is gevaarlijk omdat de bloedtoevoer zuurstof en andere belangrijke voedingsstoffen vervoert die de hersenen nodig hebben om te overleven. Als een deel van de hersenen te lang zonder zuurstof komt te zitten, zullen de neuronen in dat deel uiteindelijk afsterven. Dit veroorzaakt problemen voor dat specifieke deel van de hersenen en voor alle andere hersengebieden die ermee verbonden zijn. In onze studie wilden we onderzoeken hoe een kleine beroerte in één gebied van de hersenen vele andere gebieden van de hersenen beïnvloedt. Om te beginnen gebruikten we ChR2 om ons te helpen een functionele kaart van de muizenhersenen te tekenen. We vergeleken de kaarten tussen dieren met een beroerte en zonder een beroerte. We ontdekten dat de kaarten in de loop van de tijd veranderden. Op 1 week na de beroerte, was de totale hersenactiviteit zeer laag. Verrassend genoeg was de activiteit zelfs laag in een gebied ver weg van de beroerte. 8 weken na de beroerte was de totale hersenactiviteit hoger, maar nog niet terug naar normaal. Uit deze gegevens concludeerden we dat zelfs een kleine beroerte een groot effect kan hebben op hoe de hersenen in hun geheel werken. Als wetenschappers begrijpen wat er met de hersenen gebeurt na een beroerte, kunnen ze betere behandelingen voor patiënten met een beroerte ontwikkelen. Dit is slechts één voorbeeld van hoe nuttig optogenetica kan zijn voor het onderzoeken van vragen over de hersenen. Het is waarschijnlijk dat hersenwetenschappers optogenetica nog vele jaren zullen blijven gebruiken.

Glossary

Neuronen: Speciale cellen in de hersenen communiceren met elkaar door elektrische en chemische signalen te zenden en te ontvangen. Er zijn miljarden neuronen in de hersenen, en de signalen die tussen deze cellen worden uitgezonden, vormen de basis voor al onze gedachten en gedragingen. Neuronen worden ook wel zenuwcellen genoemd.

Elektrische Stimulatie Studie: Een techniek om neuronen of neurale paden te activeren door een kleine elektrode in te brengen en een elektrische stroom in het weefsel te sturen. Dit veroorzaakt veranderingen in de elektrische activiteit van het weefsel.

Neurowetenschappen: Een tak van wetenschap die de hersenen en het zenuwstelsel bestudeert.

Optogenetica: Een techniek die gebruik maakt van een combinatie van licht en genetische manipulatie om de activiteit van een cel te controleren.

Genetic Engineering: Het proces waarbij de informatie in de genetische code (de blauwdrukken) van een levend wezen wordt veranderd door informatie toe te voegen of te verwijderen. Genetische manipulatie wordt ook wel genetische modificatie genoemd.

Opsines: Eiwitten die reageren op een specifiek soort licht (bijvoorbeeld ChR2 reageert alleen op blauw licht). In de neurowetenschappen worden deze eiwitten gebruikt om de activiteit van neuronen te controleren.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): Een opsine dat specifiek op blauw licht reageert. Wanneer ChR2 in neuronen wordt ingebracht, kan blauw licht worden gebruikt om die neuronen aan te zetten. ChR2 is momenteel de meest populaire opsine voor optogenetische studies.

Stroke: Normaal transporteert bloed zuurstof en andere belangrijke voedingsstoffen naar de hersenen. Wanneer de bloedtoevoer wordt verstoord of verminderd, krijgen de hersenen niet de dingen die ze nodig hebben om goed te functioneren. Dit wordt een beroerte genoemd, en dit kan blijvende problemen en disfunctie veroorzaken.

Conflict of Interest Statement

De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd in afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die zouden kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.

Original Source Article

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., and Murphy, T. H. 2013. Optogenetische benaderingen voor functionele muis hersenen in kaart brengen. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Kolb, B., Whishaw, I. Q., and Teskey, G. C. 2016. An Introduction to Brain and Behavior. 5th ed. New York, NY: Worth.

Penfield, W., and Edwin, B. 1937. Somatic motor and sensory representation in the cerebral cortex of man as studied by electrical stimulation. Brain 60(4):389-443. doi:10.1093/brain/60.4.389

Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., Berthold, P., et al. 2003. Channelrhodopsin-2, een direct licht-gated kation-selectief membraankanaal. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100:13940-5. doi:10.1073/pnas.1936192100

Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., and Deisseroth, K. 2005. Milliseconde-tijdschaal genetisch gerichte optische controle van neurale activiteit. Nat. Neurosci. 8:1263-8. doi:10.1038/nn1525

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., and Murphy, T. H. 2013. Optogenetische benaderingen voor functionele muis hersenen in kaart brengen. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Deisseroth, K. 2015. Optogenetica: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat. Neurosci. 18(9):1213-25. doi:10.1038/nn.4091

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., and Murphy, T. H. 2014. Optogenetic mapping after stroke reveals network-wide scaling of functional connections and heterogene recovery of the peri-infarct. J. Neurosci. 34(49):16455–66. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014