Nieuwe Techniek Opent Venster In Hersenonderzoek

{h1}

Met optogenetics kunnen onderzoekers de activiteit van neuronen in de hersenen regelen met lichtstimulatie.

Dit artikel achter de schermen werd aan WordsSideKick.com gegeven in samenwerking met de National Science Foundation.

Voordat afgestudeerd student Ed Boyden in de vroege uren van 4 augustus 2004 op de knop klikte die een schotel met gekweekte hersencellen pulseerde, wist hij dat hij iets zou leren, wat er daarna ook gebeurde. Als de gekweekte hersencellen hun gangetje zouden blijven gaan, ongestoord door het licht, zou hij weten dat er iets niet was gegaan zoals gepland en hij zou inpakken en naar huis gaan voor de nacht. Als alternatief, als de gekweekte hersencellen reageren met een uitbarsting van elektrische activiteit, zoals hij van plan was, zou hij nog een late nacht in het lab zijn.

Hij was in orde met beide opties.

"Ik ben een groot fan van de methode" probeer het eens ". Als je een experiment ontwerpt als een constructieve mislukking, dat wil zeggen als je het ontwerpt, zodat het je nog steeds iets vertelt, zelfs als het niet werkt, het is een manier om te beginnen om erachter te komen wat er aan de hand is. "

Het bleek dat hij een zeer lange nacht had.

"We hebben geluk gehad, het werkte meteen," zegt Boyden.

Het succesvolle experiment die nacht in 2004 leidde uiteindelijk tot de ontwikkeling van een revolutionaire nieuwe onderzoekstechniek die bekend staat als optogenetica. Met Optogenetics kunnen wetenschappers licht gebruiken om de activiteit van neuronen in de hersenen nauwkeurig te regelen.

Nu een professor aan het Massachusetts Institute of Technology, Boyden wordt erkend voor zijn bijdragen; hij is door de Europese Brain Research Foundation Grete Lundbeck uitgeroepen tot een van de zes ontvangers van de 2013 'Brain Prize', een prestigieuze prijs van 1 miljoen euro die in 2010 werd gecreëerd om uitstekend hersenonderzoek te stimuleren en belonen.

Ed Boyden, Ph.D., is een van de uitvinders van een nieuw onderzoekstool genaamd optogenetica waarmee wetenschappers hersenactiviteit met behulp van licht kunnen regelen. Boyden is van mening dat optogenetica licht zal werpen op hoe de hersenen normaal functioneren en onderzoekers in staat stellen nieuwe doelen te identificeren voor de behandeling van hersenaandoeningen.

Ed Boyden, Ph.D., is een van de uitvinders van een nieuw onderzoekstool genaamd optogenetica waarmee wetenschappers hersenactiviteit met behulp van licht kunnen regelen. Boyden is van mening dat optogenetica licht zal werpen op hoe de hersenen normaal functioneren en onderzoekers in staat stellen nieuwe doelen te identificeren voor de behandeling van hersenaandoeningen.

Krediet: Paula Aguilera

Engineering voor het ontdekken van hersens

Vanaf het moment dat hij zijn afstudeercarrière begon aan de Stanford University in het najaar van 1999, wist Boyden dat hij zijn opleiding in elektrotechniek wilde toepassen op het begrijpen van de hersenen. Tegenwoordig herinnert hij zich de vele brainstormsessies die hij later met zijn medestudent Karl Deisseroth - ook een ontvanger van de Brain Prize van dit jaar - deelde over mogelijke manieren om te bepalen hoe hersencellen samenwerken.

Boyden en Deisseroth wisten dat bestaande technologieën, zoals elektrische stimulatie, het niet zouden verminderen als het erom ging inzicht te krijgen in hoe het brein werkt.

Om te beginnen begrepen wetenschappers niet of het zappen van de hersenen met elektriciteit de activiteit van hersenneuronen verhoogde of verlaagde.

Bovendien kon elektrische stimulatie niet worden gebruikt om specifieke populaties van neuronen te targeten. Daarom, zelfs wanneer onderzoekers slechts een klein deel van de hersenen schokken met elektrische stimulatie, konden ze niet identificeren welke van de vele soorten neuronen in deze gebieden resulterende veranderingen veroorzaakten.

"We probeerden achteruit te werken vanuit het doel om de hersenen als geheel te begrijpen", zegt Boyden. "We wilden de tools ontwikkelen die ons daar zouden brengen."

Licht gebruiken als hulpmiddel voor hersenonderzoek

Francis Crick, van het DNA-ontdekende duo Watson en Crick, stelde eerst het idee voor om licht te gebruiken om de hersenactiviteit in 1999 te beheersen.

Crick redeneerde dat als specifieke populaties van neuronen gedwongen zouden kunnen worden om te reageren op licht, terwijl anderen immuun zouden blijven voor het, onderzoekers op doelgerichte neuronen effectief "aan" of "uit" konden zetten met licht, en daardoor de respectieve functies van deze neuronen konden identificeren.

Maar er was een belangrijke hindernis die eerst overwonnen moest worden: wetenschappers wisten nog niet hoe ze neuronen moesten dwingen om op licht te reageren.

Maar in 2002 toonde wetenschapper Gero Miesenböck aan dat als een klein fragment van DNA van een fruitvlieg in zoogdierneuronen zou worden ingebracht, de neuronen op licht zouden reageren met een vlaag van elektrische activiteit.

Het baanbrekende lichtexperiment van Boyden in 2004 gebruikte de techniek van Miesenböck - maar met een draai. In plaats van Miesenböck's uit fruitvlieg afgeleide eiwit in de gekweekte neuronen te plaatsen voordat hij licht door hen pulseerde, voegde Boyden een eiwit toe dat bekend staat als channelrhodopsin-2 (ChR2).

Dat komt omdat ChR2 een veel snellere, meer precieze controle van neuronen ondersteunde dan Miesenböck's uit fruitvlieg afgeleide eiwit. ChR2 werd geïsoleerd van gewone vijveralgen door Duitse wetenschappers Ernst Bamberg, Peter Hegemann en Georg Nagel.

Voordelen van Optogenetics

Deze nieuwe techniek voor het bestuderen van de hersenen, genaamd "optogenetics", verbetert bestaande technologieën op verschillende kritieke manieren. Onderzoekers weten bijvoorbeeld dat de neuronen die ChR2 tot expressie brengen worden geactiveerd, in tegenstelling tot het zwijgen, door het licht. Hierdoor kunnen ze met zekerheid zeggen dat de effecten die ze waarnemen gerelateerd zijn aan een toename in activiteit in de gerichte neuronen.

Bovendien, in tegenstelling tot elektrische stimulatie, die de cellen die voor manipulatie zijn gericht, kan beschadigen, heeft het licht zelf blijkbaar weinig of geen negatieve effecten op gerichte neuronen en het omliggende weefsel. Belangrijk is dat onderzoekers het eiwit in bepaalde neuronen tot expressie kunnen brengen, zonder anderen te beïnvloeden, waardoor het gemakkelijker wordt om de rol van specifieke subsets van hersencellen te plagen.

Recente verbeteringen

Sinds 2004 hebben Boyden en Deisseroth eiwitten geïdentificeerd die kunnen worden gebruikt om gerichte neuronale populaties te activeren of tot zwijgen te brengen. Deze vooruitgang stelt onderzoekers in staat om te kiezen welke benadering - ofwel activering ofwel silencing - meer nuttig is voor hun specifieke onderzoeksfocus.

Met financiering van de National Science Foundation hebben Boyden en Deisseroth ook vooruitgang geboekt in de optogenetica-technologie die een preciezere manipulatie van neuronale activiteit mogelijk maakt dan ooit tevoren mogelijk was.

Licht werpen op hersenaandoeningen

Volgens Boyden zal optogenetica niet alleen licht werpen op hoe het gezonde brein werkt, maar ook inzicht verschaffen in wat er gebeurt als er iets misgaat.

"Optogenetics is een krachtig hulpmiddel dat we kunnen gebruiken om gebieden van de hersenen op te sporen die betrokken zijn bij hersenstoornissen", zegt Boyden. "Het kan ons helpen potentiële nieuwe doelen voor medicamenteuze therapie of diepe hersenstimulatie te identificeren."

Dit kan met name van belang zijn voor hersenaandoeningen zoals autisme, posttraumatische stressstoornis en epilepsie die moeilijk te bestuderen zijn, omdat hun onderliggende stoornissen vaak worden geassocieerd met functionele, in plaats van structurele, problemen in het circuit van de hersenen.

Maar wat Boyden ziet als een van de belangrijkste bijdragen van technologieën zoals optogenetica is het feit dat ze een deel van het mysterie en de angst wegnemen over hoe het brein werkt.

"Eén ding is dat technologieën zoals optogenetica helpen om aan te tonen dat hersenaandoeningen begrijpelijk en vaak behandelbaar zijn", zegt Boyden. "Dit gaat een lange weg wanneer we nadenken over het verwijderen van het stigma van psychische aandoeningen en psychiatrische stoornissen."

Samenwerking vieren

Boyden heeft de afgelopen jaren veel welverdiende onderscheidingen ontvangen voor zijn werk. De toekenning van de Lundbeck Foundation is echter bijzonder voor hem omdat het collaboratieve wetenschap viert; hij zal het delen met Deisseroth, evenals met andere wetenschappers - waaronder Miesenböck, Bamberg, Hegemann en Nagel - die de basis hebben gelegd voor optogenetica.

"Ik hoop dat dit meer omni-disciplinair onderzoek aanmoedigt en meer erkenning voor dit type samenwerking", zegt Boyden.

Opmerking van de uitgever: De onderzoekers afgebeeld in Behind the Scenes-artikelen zijn ondersteund door deNational Science Foundation, het federale agentschap belast met de financiering van fundamenteel onderzoek en onderwijs op alle gebieden van wetenschap en techniek. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de opvattingen van de National Science Foundation. Zie de Achter de schermen archief.


Video Supplement: .




Onderzoek


Hoe Corrigerende Lenzen Werken
Hoe Corrigerende Lenzen Werken

Hoe Liquid Crystal Displays In Een Ewriter Werken
Hoe Liquid Crystal Displays In Een Ewriter Werken

Science Nieuws


Wat Is De Zeroth-Wet Van De Thermodynamica?
Wat Is De Zeroth-Wet Van De Thermodynamica?

China'S Eerste Keizer Bestelde Officiële Zoektocht Naar Onsterfelijkheidselixir
China'S Eerste Keizer Bestelde Officiële Zoektocht Naar Onsterfelijkheidselixir

In New Territory, Good Froggy Dads Go Cannibal
In New Territory, Good Froggy Dads Go Cannibal

Zal Parker Solar Probe Echt 'De Zon Aanraken'?
Zal Parker Solar Probe Echt 'De Zon Aanraken'?

WordsSideKick.com Book Giveaway: 'Cannibalism' Door Bill Schutt
WordsSideKick.com Book Giveaway: 'Cannibalism' Door Bill Schutt


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com