Het beheersen van zenuwcellen met licht opende nieuwe manieren om de hersenen te bestuderen

Sommige grote wetenschappelijke ontdekkingen worden niet echt ontdekt. Ze zijn geleend. Dat is wat er gebeurde toen wetenschappers eiwitten inschakelden van een onwaarschijnlijke geldschieter: groene algen.

Cellen van de algensoort Chlamydomonas reinhardtii zijn versierd met eiwitten die licht kunnen voelen. Dat vermogen, voor het eerst opgemerkt in 2002, trok al snel de aandacht van hersenwetenschappers. Een lichtgevoelig eiwit beloofde de kracht om neuronen – de zenuwcellen van de hersenen – te controleren door een manier te bieden om ze op precies de juiste plaats en tijd aan en uit te zetten.

Zenuwcellen die genetisch zijn gemanipuleerd om de algeneiwitten te produceren, worden door licht gecontroleerde poppen. Een lichtflits kan een stil neuron ertoe brengen signalen af ​​te vuren of een actief neuron dwingen stil te vallen.

“Dit molecuul is de lichtsensor die we nodig hadden”, zegt vision-neurowetenschapper Zhuo-Hua Pan, die op zoek was naar een manier om zichtcellen in het netvlies van muizen te controleren.

De methode die door deze leeneiwitten mogelijk wordt gemaakt, wordt nu optogenetica genoemd, vanwege de combinatie van licht (opto) en genen. In minder dan twee decennia heeft optogenetica geleid tot grote inzichten in hoe herinneringen worden opgeslagen, wat percepties creëert en wat er mis gaat in de hersenen tijdens depressie en verslaving.

Om ons aanstaande 100-jarig jubileum te vieren, lanceren we een serie die enkele van de grootste vorderingen in de wetenschap in de afgelopen eeuw belicht. Bezoek Century of Science: Our brains, our futures voor meer informatie over het verleden, heden en de toekomst van neurowetenschappen.

LEES VERDER

Met behulp van licht om de activiteit van bepaalde zenuwcellen aan te sturen, hebben wetenschappers gespeeld met muishallucinaties: muizen hebben lijnen gezien die er niet zijn en herinneren zich een kamer waar ze nog nooit waren geweest. Wetenschappers hebben optogenetica gebruikt om muizen te laten vechten, paren en eten, en zelfs blinde muizen het zicht te geven. In een grote primeur heeft optogenetica onlangs aspecten van het gezichtsvermogen van een blinde man hersteld.

Een vroege aanwijzing voor het potentieel van optogenetica kwam rond 1 uur ’s nachts op 4 augustus 2004. Neurowetenschapper Ed Boyden was in een laboratorium in Stanford en controleerde een schaal met neuronen die een gen bezaten voor een van de algenlichtsensoren, genaamd channelrhodopsin-2 . Boyden ging met blauw licht op de cellen flitsen en kijken of ze signalen afvuurden. Tot zijn verbazing reageerde de allereerste cel die hij controleerde op het licht met een uitbarsting van actie, schreef Boyden in een rekening 2011. De mogelijkheden die voortkwamen uit die kleine vonk van activiteit, beschreven in een technisch rapport uit 2005 door Boyden, Karl Deisseroth van Stanford University en collega’s, werden al snel realiteit.

In het laboratorium van Pan herstelden op licht reagerende eiwitten het gezichtsvermogen bij muizen met een beschadigd netvlies, een bevinding die nu heeft geleid tot een klinische proef bij mensen. De belofte van Optogenetics was in die begintijd geen gegeven, omdat wetenschappers voor het eerst leerden hoe ze deze eiwitten in neuronen konden gebruiken. “Op dat moment had niemand verwacht dat dit optogenetische werk zo’n enorme impact zou hebben”, zegt Pan.

Sinds die vroege ontdekkingen zijn de lichtsensoren van de algen geadopteerd voor gebruik in tal van hersenonderzoeksarena’s. Neurowetenschapper Talia Lerner van de Northwestern University in Chicago gebruikt bijvoorbeeld optogenetica om verbindingen tussen cellen in het muizenbrein te bestuderen. De methode stelt haar in staat om de relaties tussen cellen die dopamine produceren en erop reageren, uit elkaar te halen, een chemische boodschapper die betrokken is bij beweging en beloning. Die cellulaire verbindingen, verlicht door optogenetica, kunnen helpen details over motivatie en leren te onthullen. “Zonder optogenetica zou mijn onderzoek in zijn huidige vorm niet mogelijk zijn”, zegt ze.

Optogenetica is ook onmisbaar voor Jeanne Paz van de Gladstone Institutes in San Francisco. Zij en haar collega’s zijn op zoek naar de cellen die kunnen voorkomen dat aanvallen zich over de hersenen verspreiden. Door haar een manier te geven om verschillende groepen neuronen te controleren, is optogenetica cruciaal voor haar zoektocht. “We konden deze vragen echt met geen enkele andere tool stellen”, zegt Paz.

Haar optogenetica-ondersteunde zoektocht leidde Paz naar een hersenstructuur die de thalamus wordt genoemd, een tussenstation voor veel neurale netwerken in de hersenen. “Ik herinner me het kippenvel dat ik kreeg de eerste keer dat ik het licht in de thalamus scheen en het stopte de aanval”, zegt ze.

Tot nu toe heeft optogenetisch onderzoek vooral plaatsgevonden bij muizen. Maar misschien komen er binnenkort inzichten in complexere hersenen, waaronder die van primaten, zegt Yasmine El-Shamayleh van Columbia University. In 2009 beschreven Boyden en collega’s optogenetica in een makaak. El-Shamayleh en anderen duwen deze onderzoekslijn hard door. “We staan ​​absoluut aan de vooravond” van het onthullen van enkele fascinerende principes van het brein van de primaten, zoals hoe het brein signalen van de ogen omzet in waarnemingen, zegt ze.

Optogenetica is snel geëvolueerd. Wetenschappers hebben nieuwe lichtsensoren ontwikkeld en geoptimaliseerd en nieuwe manieren gevonden om ze te combineren met andere technieken. Een belangrijke reden voor de wijdverbreide innovatie van vandaag, zegt Lerner, was de vroege geest van delen door optogenetica-pioniers. Op Stanford zou Deisseroth regelmatig workshops geven om andere wetenschappers op te leiden in de techniek. “In sommige opzichten is dat net zo belangrijk als het uitvinden”, zegt Lerner.

Het is dus de moeite waard om even de tijd te nemen om de originele delers te waarderen. Wat er ook gebeurt in dit snel bewegende veld, één ding is zeker: hersenwetenschappers zullen voor altijd bij de algen in het krijt staan.