‘Levende elektroden’, gemaakt van genetisch gemodificeerde zenuwcellen die reageren op licht, zijn succesvol geïmplanteerd in de hersenen van dieren. De hoop is dat deze het brein beter en langduriger kunnen verbinden met computers dan conventionele elektroden.
‘Dit stelt onze technologie in staat om te spreken in de taal van het zenuwstelsel, in plaats van met elektrische schokjes, wat momenteel gebeurt’, zegt neurochirurg Kacy Cullen van de Universiteit van Pennsylvania. ‘Wanneer onze geïmplanteerde zenuwcellen geactiveerd zijn, wordt het diepere gedeelte van het brein waarmee ze verbonden zijn door een natuurlijk, synaptisch mechanisme geprikkeld.’
Het implanteren van elektroden in de hersenen gebeurt al sinds de jaren vijftig. De toepassingen zijn uiteenlopend: van het behandelen van de ziekte van Parkinson tot het helpen van verlamde mensen bij het communiceren, bewegen en zelfs voelen van aanrakingen. ‘Er zijn fantastische resultaten behaald’, zegt Cullen.
Toch zijn er ook problemen met de conventionele elektroden. Het inbrengen van een onbekend object in de hersenen kan een immuunrespons oproepen. Hierdoor kan littekenweefsel ontstaan, wat de werking van de elektrode verandert of vermindert. Bovendien beïnvloeden deze elektroden niet alleen de beoogde, maar ook alle aangrenzende zenuwcellen, wat tot ongewenste effecten kan leiden.
Verbonden
Cullen’s aanpak is gebaseerd op optogenetica: het genetisch modificeren van zenuwcellen zodat deze reageren op lichtsignalen. Een groepje van ruwweg 10.000 van zulke cellen wordt vervolgens op het uiteinde van een cilinder geplaatst.
Deze cilinder is gemaakt van een oplosbare gel en heeft een diameter van slechts tweemaal de dikte van een menselijke haar. De uitlopers van de zenuwcellen – de ‘levende’ draadjes – groeien door de cilinder heen, totdat ze bij het andere uiteinde uitsteken.
De onderzoekers staken anderhalve millimeter lange cilinders met gemodificeerde rattenzenuwcellen in de visuele cortex van ratten. Veel van de geïmplanteerde cellen overleefden dit. Hun uitlopers groeiden door naar de cortex, waar ze vervolgens verbindingen maakten met de aanwezige cellen. ‘Als we al een probleem hebben, dan is het dat er te veel in plaats van te weinig verbindingen ontstaan’, zegt Cullen.
De volgende uitdaging is om aan te tonen dat de gewenste verbindingen versterkt kunnen worden en de ongewenste afgestoten. Dan kunnen de implantaten specifieke effecten bewerkstelligen, zoals het voorkomen van epileptische aanvallen.
Besturing van het brein
De geïmplanteerde zenuwcellen kunnen van een type zijn dat verbonden cellen activeert of dat activiteit juist dempt. Een mix van beide types is ook mogelijk. Het modificeren van cellen zodat ze fluoresceren wanneer ze geactiveerd zijn, zou de implantaten in staat moeten stellen om hersenactiviteit zowel te monitoren als aan te sturen.
Voor het behandelen van patiënten voorziet Cullen het ontwikkelen van zenuwcellen uit bijpassende cellen opgeslagen in stamcelbanken. Zo wordt afstoting door het immuunsysteem voorkomen. Het zou volgens hem onbetaalbaar zijn om voor elk individu zenuwcellen te genereren uit de eigen cellen.
De besturing van de zenuwcellen kan gebeuren door een reeks leds. Die zou dan aan de buitenkant van de hersenen geplaatst worden, net boven de geïmplanteerde zenuwcellen. ‘Aangezien ze aan de buitenkant van de hersenen zitten, verwachten we dat ze niet dezelfde immuunrespons ontlokken als de penetrerende elektroden’, zegt Cullen.
De markt op
Neurowetenschapper Anthony Hannan van de Universiteit van Melbourne zegt dat het mogelijk is dat levende elektroden voor bepaalde toepassingen beter zijn dan conventionele types. ‘De onderzoekers hebben echter nog geen bewijs dat deze elektroden veel beter zijn dan andere types’, zegt hij.
Daarbij brengt het gebruik van levende elektroden volgens Hannan een aantal nieuwe uitdagingen met zich mee, waaronder het voorkomen van infecties en het behalen van consistente resultaten.
Intussen heeft Cullen een bedrijf opgezet, Inneryace, om de technologie op de markt te brengen. Toch benadrukt hij dat het werk zich nog in een vroege fase bevindt. ‘Het zit nog steeds op een redelijk basaal niveau, en is enkele jaren verwijderd van klinische toepassingen.’
