Onder normale omstandigheden reageert een neuron alleen op precies de juiste neurotransmitters; de chemische boodschappen waarmee hersencellen met elkaar communiceren. Maar nu reageren ze ook op licht. Onderzoekers van Stanford University kunnen neuronen aan- en uitzetten door ze te beschijnen met verschillende kleuren licht.

100 miljard neuronen

Onze hersenen zijn geen homogene massa, maar een georganiseerd systeem van gespecialiseerde cellen en deelgebieden. Samen vormen ze een netwerk van astronomische complexiteit. Zo’n 100 miljard neuronen ontvangen signalen, die ze bewerken en doorsturen naar hun collega’s. Maar wat precies de functie is van elk onderdeel van het netwerk, wordt vaak pas duidelijk als het niet (meer) goed werkt. Of als het juist harder werkt dan normaal. Dan ga je bijvoorbeeld hallucineren of kun je ineens niet meer praten, om maar eens twee uitersten te noemen.

Optogenetica

Onderzoekers van Stanford University (VS) hadden in 2005 voor het eerst succes met een revolutionaire manier om hersenactiviteit zeer nauwkeurig te sturen: optogenetica. Ze maakten gebruik van een trucje dat in de microbiologie al bekend is sinds de jaren ’70. Sommige algen en andere eencelligen produceren namelijk lichtgevoelige proteïnes om de elektrische geleiding van hun celmembraan te regelen. Die eiwitten blijken ook prima te werken in zoogdiercellen, zoals neuronen. Door de genen via een virus in die hersencellen te introduceren worden ze aangezet de proteïnes zelf aan te maken.

Zolang het donker is in de bovenkamer, verandert er verder niets aan de werking van de cel. Tot het licht aangaat… Dan remt de proteïne plotseling de werking van de cel, of stimuleert die juist. Het licht wordt via een flinterdun glasvezelbundeltje door de schedel heen naar het gewenste hersengebied gestuurd (voorlopig nog bij – al dan niet – vrij bewegende laboratoriumdieren). Het effect laat niet lang op zich wachten: een welgemikte lichtbundel kan een cel meer dan 200 keer per seconde aan- en uitzetten.

Neuronen selecteren met kleur

De ‘lichtgevoeligheidsgenen‘ kunnen selectief worden geactiveerd in bepaalde types neuronen. Niet alle neuronen maken dan dus hetzelfde lichtgevoelige eiwit, en dat geeft de onderzoeker controle over welke neuronsoort hij wil gaan ‘bedienen’. En alsof dat nog niet beheersbaar genoeg is: men kan de cellen ook nog eens verschillend laten reageren op allerlei kleuren licht. In een verzameling neuronen kunnen verschillende types dus op een andere manier worden aangestuurd.

Optogenetica geeft zicht op een zee aan nieuwe mogelijkheden om hersenactiviteit te sturen. Het werkt immers vele malen preciezer dan transcraniële magnetische stimulatie (magnetische stimulatie door de schedel heen) en diepe hersenstimulatie (elektrische stimulatie via een elektrode in de hersenen). Met dat grove geschut krijgt namelijk elke willekeurig cel in het bereik van het apparaat een optater. Licht daarentegen heeft alleen effect op de neuronen met het juiste eiwit en laat het weefsel eromheen volkomen ongeroerd.

Inmiddels sleutelen onderzoekers overal ter wereld aan de lichtgevoelige proteïnes om ze nog effectiever te maken en struinen ze microbe-genomen af, op zoek naar nieuwe. Tot doorbraken in hersenonderzoek of nieuwe behandelingen heeft de optogenetica voor zover bekend nog niet geleid. Maar veelbelovend is de techniek wel. Eindelijk kan het: gewoon met een lampje in de hersenpan schijnen om te zien wat er gebeurt.