Het nabouwen van het menselijke brein is een droom van veel wetenschappers. Met toepassingen voor zowel de computerwereld, die jaloers is op de energie-efficiëntie en het lerende karakter van ons brein, als voor de medische wereld, die oplossingen zoekt voor neurale problemen. Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven, samen met Amerikaanse en Italiaanse onderzoekers, slaagden erin kunstmatige synapsen te ontwikkelen die daadwerkelijk met levende cellen kunnen communiceren. Dit systeem kan in de toekomst wellicht ingezet worden om prothesen ‘aan te sluiten’ op het brein. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Materials.
Het brein bestaat uit zenuwcellen die elektrochemische signalen (neurotransmitters en ionen) naar elkaar sturen. Deze cellen praten met elkaar via twee synapsen en een smalle spleet daartussenin. De spleet is als het ware het transportmiddel van de signalen. Elke keer dat een signaal door de synaptische spleet gaat, wordt de connectie sterker en kost het versturen minder energie. Dat komt doordat de signalen de geleidbaarheid van de ontvangende synaps blijvend aanpassen. Dat versterken van de weg is de manier waarop het brein leert. De ontvangende synaps verwerkt de signalen dus niet alleen, het heeft ook een geheugenfunctie. Dat alles maakt het een ultra-efficiënt en lerend systeem.
In 2017 ontwikkelde TU/e-onderzoeker Yoeri van de Burgt, destijds postdoc bij Stanford University, met succes een kunstmatige synaps gemaakt van organische materialen. Met hetzelfde onderzoeksteam was hij nu in staat om deze synaps daadwerkelijk te laten communiceren met levende cellen die lijken op zenuwcellen. Van de Burgt: “Ons systeem blijkt, net als een echt brein, een leer- én een geheugenfunctie te hebben. Daarmee zijn we een stap dichter bij een adaptieve verbinding met het brein, wat geavanceerde prothesen en regeneratieve geneeskunde mogelijk maakt.”
Leerproces als in een echt brein
“De meeste onderzoeksgroepen die werken aan het meten van hersenactiviteit en brein-machine interfaces zijn alleen in staat om elektrische signalen te meten. Maar die signalen zijn enkel een afgeleide van de processen in de synaps. Wij kunnen het proces écht nabootsen. We werken namelijk, net zoals het brein zelf, met elektrochemische signalen. Dat maakt onze aanpak efficiënter maar ook relevanter”, aldus Van de Burgt.
Het systeem van twee synapsen en een synaptische spleet, is door de onderzoekers nagebouwd met twee geleidende elektroden bestaande uit een zacht polymeer en daartussenin een elektrolyt-oplossing. Vervolgens wisten de onderzoekers de levende cellen bovenop de eerste elektrode te plakken, en deze te voeden via een kweekmedium.
Transport in de synaptische spleet
Van de Burgt heeft in Eindhoven samen met PhD-student Setareh Kazemzadeh voornamelijk gewerkt aan het vloeistoftransport tussen beide synapsen in. “De levende cellen in ons systeem communiceren met de elektrode doordat de neurotransmitter uit de cel een (redox)reactie ondergaat en het daarmee ionen vormt. Deze ionen verplaatsen zich vervolgens via de spleet naar de tweede electrode. De geleidende toestand van deze tweede elektrode verandert hierdoor. Een deel van die verandering blijft behouden, en simuleert het leerproces dat in een echt brein plaatsvindt”, legt Van de Burgt uit. Het verwerken en opslaan van het signaal gebeurt dus tegelijkertijd, net als in een echte synaps. Dat maakt het systeem zo energie-efficiënt.
Daarna moeten de neurotransmitters weer terug worden gevormd, om zich klaar te maken voor het volgende signaal van de cel. Ook dat is door de onderzoekers nagebootst. “Met een microfluïdisch systeem wisten we het biologisch relevante proces van de zogenoemde endocytose na te bootsen. Dat houdt in dat we de synapsen weer kunnen herstellen naar hun originele staat. We wisten dat te bewerkstelligen via het transport van zuurstof naar de kunstmatige synaps”, aldus Van de Burgt. Hij vervolgt: “En dat bleek goed te werken. Het is niet precies hetzelfde proces als in het brein, maar geeft wel hetzelfde eindresultaat.”
Om hun synaps te testen, gebruikten de onderzoekers cellen van ratten die op zenuwcellen lijken en de neurotransmitter dopamine afgeven. De onderzoekers waren in staat om deze dopamine te identificeren in het systeem. Van de Burgt: “We zagen dat de dopamine inderdaad – zoals gehoopt – een permanente verandering teweegbrengt in de tweede elektrode, en zo de geleidende staat van het systeem aanpast.”
Zenuwen met elkaar laten praten
De volgende stap voor Van de Burgt is om zijn systeem echt toe te gaan passen op problemen in de geneeskunde. Bijvoorbeeld om betere prothesen te ontwikkelen die écht kunnen communiceren met het lichaam en de hersenen of om stukken uitgevallen brein te herstellen met adaptief materiaal.
Maar Van de Burgt droomt ook over toepassingen die nóg moeilijker zijn. Bijvoorbeeld patiënten met een doorgesneden ruggenmerg als gevolg van een ongeluk. Je wilt deze liever niet 1-op-1 terug met elkaar verbinden, want dan verdwijnt het leervermogen. Als Van de Burgt in plaats daarvan een adaptief systeem ertussen kan zetten, dan kunnen de zenuwen weer met elkaar communiceren. Van de Burgt: “Maar dat is nog echt een verre toekomstdroom, je hebt op dat punt in het ruggenmerg namelijk geen synapsen in de buurt. En daarop is ons huidige systeem gebouwd.”
Dit onderzoek is uitgevoerd samen met onderzoekers van Stanford University (VS) en Istituto Italiano di Tecnologia (Italië). De resultaten zijn op 15 juni gepubliceerd in tijdschrift Nature Materials, onder de titel: “A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity”. Bron TU Eindhoven
