EO

Kunstmatige synaps ‘praat’ met levende cellen

16 juni 2020 om 16:08 uur

De kunstmatige synaps gemaakt van organische materialen. De elektrische probes (metalen onderin) meten de conductiviteit. Het microfluidisch systeem (slangetjes daarboven) voedt de levende cellen en herstelt de synaps naar de originele staat. Foto: Yoeri van de Burgt

Het nabouwen van het menselijke brein is een droom van veel wetenschappers. Nederlandse, Amerikaanse en Italiaanse onderzoekers zijn er nu samen in geslaagd om 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.


In het brein sturen zenuwcellen elektrochemische signalen naar elkaar. Deze cellen praten met elkaar via twee synapsen en een smalle spleet ertussen. 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 en heeft een geheugenfunctie. Dat alles maakt het een ultra-efficiënt en lerend systeem.

 

In 2017 ontwikkelde TU/e-onderzoeker Yoeri van de Burgt een kunstmatige synaps van organische materialen. Met hetzelfde onderzoeksteam heeft hij deze synaps nu daadwerkelijk laten communiceren met levende cellen die lijken op zenuwcellen. "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 echt 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 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." 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. 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. "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 is om het systeem toe te passen op problemen in de geneeskunde. Bijvoorbeeld om betere prothesen te ontwikkelen die echt 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 nog 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 je er in plaats daarvan een adaptief systeem tussen kan zetten, 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."

 

Gerelateerd nieuws

Beter begrip van het gedrag van elektronen in plasma's

Beter begrip van het gedrag van elektronen in plasma's

Promovendus Bart Platier van de TU/e heeft een nieuwe op plasma gebaseerde productietechniek ontwikkeld voor belichtingsdiffusors, met behulp van plasma’s op lage temperatuur en onder atmosferische druk.…

Zonnig Coronanieuws: grotere opbrengst zonnepanelen door schone lucht

Zonnig Coronanieuws: grotere opbrengst zonnepanelen door schone lucht

Een onverwachte uitkomst van de Covid-19-pandemie is een vermindering van de luchtverontreiniging. In sommige steden in China lagen de sterftecijfers gedurende de lock-down zelfs lager dan ervoor: wetenschappers…

Veel energie te besparen bij CO2-afvang

Veel energie te besparen bij CO2-afvang

Een onderzoeksgroep aan de Nagoya University heeft een technologie ontwikkeld die de energie die wordt gebruikt om koolstofdioxide (CO2) op te vangen uit faciliteiten zoals thermische centrales drastisch kan besparen.…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Nieuwe kleine transponderschakelaar CTM

De nieuwe CTM is heel klein en is geschikt voor elke radius vanaf slechts 15cm. Toch is het een volwaardige PL e - Cat....

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

14 juli 2020, online

Hannover Messe Digital Days

Een digitaal overzicht van actuele ontwikkelingen op het gebied van industrie, energie en logistiek en...

11 augustus 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

11, 12 , 18, 19 augustus 2020

19 augustus 2020, Vianen

Machineveiligheid in een dag

Meer agendapunten »