17 feb. 1999
3 minuten
Een nieuwe klasse van minuscule injecteerbare led’s moet de diepste mysteries van het brein gaan belichten. Onderzoekers van de University of Illinois in Urbana-Champaign en de Washington University in St. Louis hebben ultradunne flexibele opto-elektronische componenten ontwikkeld, waaronder led’s ter grootte van individual neuronen – die voor neurowetenschappers het pad gaan verlichten op het gebied van optogenetica en verder.
Onder leiding van materiaalwetenschapper professor John A. Rogers, en hoogleraar anesthesiologie Michael R. Bruchas, publiceerden de onderzoekers hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Science.
"De nieuwe materialen en componentstructuren openen nieuwe wegen om halfgeleidercomponenten rechtstreeks in het brein te integreren", zegt Rogers. "En meer in het algemeen zijn de achterliggende ideeën en basis voor het inbrengen van geavanceerde elektronica in het lichaam: ultra-miniatuur componenten die worden geïnjecteerd en rechtstreeks interactie bieden met het diepere weefsel".
Optogenetica
De onderzoekers demonstreerden de eerste toepassingen van zulke componenten in de optogenetica, een nieuw gebied in de neurowetenschap waarbij met licht bepaalde neuronale paden in het brein worden gestimuleerd. De procedure omvat het genetisch programmeren van specifieke neuronen om te reageren op licht. Met optogenetica is het mogelijk om hersenfuncties nauwkeurig en geïsoleerd te bestuderen, op een manier die niet mogelijk is met elektrische stimulering, waarbij de neuronen over een breed gebied worden beïnvloed, of met chemische middelen want die verzadigen het hele brein.
Optogenetische experimenten met muizen hebben aangetoond dat het mogelijk is om complex gedrag te trainen zonder fysieke beloning en om bepaalde angstreacties te verlichten. Fundamenteel inzicht in de structuur en het functioneren van het brein kan gevolgen hebben voor de behandeling van Alzheimer, Parkinson, depressie, angst en andere neurologische afwijkingen.
Technische uitdaging
Met optogentica kan nu een aantal belangrijke neuronale paden worden bestudeerd, maar de wetenschappers worstelen nog met de technische uitdaging om licht toe te voeren aan precieze gebied, die in de hersenen. Voor het proefdierenonderzoek wordt nu meestal laserlicht gebruikt dat via glasvezels wordt ingebracht in de schedel en het brein. Maar zo’n invasieve procedure beperkt de bewegingsvrijheid, beïnvloedt het natuurlijke gedrag en maakt studie van sociale interactie onmogelijk.
De nieuwe technologie, met speciaal ontwikkelde krachtige led’s kent deze nadelen niet.
De led’s, met afmetingen die vergelijkbaar zijn met die van afzonderlijke cellen, worden in het brein geïnjecteerd en geven directe en nauwkeurig gecontroleerde verlichting. Ze worden geprint op de punt van een dun en flexibel kunststof lint – dunner dan een haar – dat diep in de hersenen kan worden ingebracht, met maar heel weinig belasting van het weefsel.
"Een van de grootste problemen bij het implanteren van iets in de hersenen is de potentiële schade die dat kan veroorzaken", zegt Bruchas. "Deze componenten zijn speciaal ontworpen om zulke problemen te minimaliseren, en ze zijn veel effectiever dan de traditionele benaderingen".
Minimale belasting
Het gaat niet alleen om led’s, maar ook om diverse sensoren en elektrodes die in de hersenen worden ingebracht met een dunne micro-injectienaald. Het lint verbindt de componenten met een antenne en een voedingscircuit dat RF-energie draadloos ‘sprokkelt’ om de componenten te voeden. Deze module wordt bovenop de kop van het proefdier geplaatst en kan worden afgekoppeld als hij niet in gebruik is.
"De studie van complex gedraag, sociale interactie en natuurlijke reacties vereist technologieën die minimale belasting opleveren", zegt Rogers. "Met de systemen die wij hebben ontwikkeld kunnen de dieren vrij bewegen en met elkaar omgaan op een natuurlijke manier. Maar tegelijkertijd hebben we volledige en nauwkeurige controle over het leveren van licht in de hersenen".
Ander onderzoek
Het ontwikkelde platform omvat led’s, temperatuur- en lichtsensoren, verwarmingselementen op microschaal en elektroden die elektrische activiteit kunnen stimuleren en registreren. De componenten maken ook diverse andere belangrijke functies mogelijk – zo kunnen onderzoekers bijvoorbeeld de elektrische activiteit meten die het gevolg is van lichtstimulatie. Dat geeft meer inzicht in complexe neuronale circuits en de interacties binnen het brein.
Door de diversiteit aan componenten lijkt het mogelijk dat dit injecteerbare, draadloze platform kan worden gebruikt voor ander neurowetenschappelijk onderzoek, of zelfs voor andere organen. Zo heeft Rogers’ team al vergelijkbare componenten ontwikkeld voor het stimuleren van zenuwen in het been, als een mogelijke manier om pijn te bestrijden. Ook zijn er meerkleurenled’s gemaakt, zodat verschillen neuronale circuits kunnen worden bestudeerd met een enkel geïnjecteerd systeem.
Anderen lazen ook
