De synaptoprobe: de volgende stap in brein-computer communicatie

Hersenonderzoek is hot. Elon Musk, Bryan Johnson, Mark Zuckerberg, het Amerikaans leger, en een hele resem startups. Allemaal zitten ze in een rat race naar de heilige graal: een brein computer interface (BCI). De samensmelting van mens en machine zonder toetsenbord, zonder muis, zonder touchscreen. Al is er nog veel werk voor de boeg vooraleer het zover is. In deze scriptie wordt een nieuwe tool verkend die cruciaal zou kunnen zijn voor de verdere ontwikkeling van het onderzoeksveld.

Waarom kan een brein niet simpel zijn?

De complexiteit van onze hersenen is indrukwekkend. Logisch, want ze hebben miljoenen jaren de tijd gehad om te evolueren. Ondanks die complexiteit blijven wetenschappers en ondernemers geloven en investeren in hersenonderzoek. Fundamenteel hersenonderzoek is namelijk ontzettend belangrijk voor miljoenen mensen met een hersenaandoening. En het perspectief van een direct communicatiekanaal tussen brein en computer heeft een enorme aantrekkingskracht.

Door ontwikkelingen in bio- en nanotechnologie zijn de tools die ter beschikking staan van wetenschappers steeds beter geworden. Het resultaat is dat onze kennis van ons eigen brein de laatste jaren met rasse schreden vooruit is gegaan. De combinatie van deze factoren zorgt voor ongeëvenaarde mogelijkheden voor BCI-technologie.

BCI: wat is dat voor een beest?

Figuur 1: Artistieke impressie van neuronen in de hersenen. (Artiest: Gregg Dunn Titel: Self reflected microetching)

Zoals weergegeven op figuur 1 zitten binnenin de hersenschors miljoenen cellen, neuronen genaamd. Deze neuronen communiceren met elkaar via het doorgeven van kleine stroompulsen.

Een veelgebruikte manier om hersenactiviteit te meten en te begrijpen, is om een minieme naald (soms dunner dan een hoofdhaartje), genaamd een probe, in de hersenschors te implanteren. Op die probe zitten elektrodes die lokale stroompulsen kunnen meten. Door die lokale stroompulsen te analyseren kunnen we te weten komen welke hersendelen actief zijn bij welke activiteit.

Bijvoorbeeld, er wordt een probe in de hersenschors van een muis geïmplanteerd. Vervolgens leggen we een lekker stukje kaas in de omgeving van de muis. We zien dat de muis naar het stukje kaas snelt, en het met smaak opeet. Vervolgens kijken we naar de data die de elektrodes opgenomen hebben. Deze data leren ons welke neuronen allemaal actief waren bij de beweging vanaf het startpunt tot het opeten van het kaasje. Alleen: we hebben geen idee welke rol elke neuron precies speelt in het proces. Eén neuron zegt misschien “span spier x op”, de ander zegt “ontspan spier y”, en nog een ander activeert de speekselklieren bij het zien van het kaasje.

Daarnaast moeten de duizenden neuronen soms apart, en soms als geheel beschouwd worden. Door de ingewikkelde patronen in het neurale netwerk zijn er ook verschillende combinaties mogelijk die schijnbaar hetzelfde effect kunnen veroorzaken. Daar komt nog bij dat de hersenen constant evolueren. De verbindingen tussen neuronen zijn niet statisch, maar variëren onder invloed van allerhande parameters zoals de activiteit van de neuronen en chemische signalen tussen neuronen.

De data die we van onze elektrodes hebben verkregen is dus moeilijk te interpreteren en slechts beperkt bruikbaar. Om een beter zicht te krijgen op de werking van de hersenen, moeten we meer gebruik maken van de chemische ‘taal’ die neuronen met elkaar spreken.

Paspoort en rijbewijs alstublieft

Elke neuron heeft zijn eigen identiteit die andere neuronen kunnen herkennen aan de hand van proteïnen op hun celmembraan. Wanneer twee neuronen met de juiste proteïnen elkaar tegenkomen wordt een verbinding (of synaps) gemaakt tussen beide neuronen (voorbeeld figuur 2). Deze manier van communicatie tussen neuronen via trans-synaptische proteïnen zouden we kunnen gebruiken als een heel krachtige tool om hersenonderzoek mee te doen. Een revolutionaire probe die een directe chemische binding kan vormen met neuronen naar keuze: de synaptoprobe.

Figuur 2 Voorbeeld synaps

De synaptoprobe



In deze scriptie probeer ik dit theoretisch verhaal om te zetten naar een praktisch inzetbare strategie. Het concept van de synaptoprobe is kort gezegd het aanbrengen van trans-synaptische proteïnen op het oppervlak van elektrodes (zie figuur 3). Hierbij moet wel gezorgd worden dat het ontwerp stabiel, functioneel en niet-toxisch is na implantatie. Dit wil zeggen dat de proteïnen goed moeten vastzitten op de elektrodes zodat zij niet los kunnen komen in de hersenen. En dat de manier waarop zij vastgezet worden niet van die aard is dat zij hun structuur en werking verliezen. Daarbij mogen geen componenten gebruikt worden die het lichamelijk afweersysteem (immuunsysteem) te veel zouden activeren na implantatie.

Figuur 3 Links: natuurlijke synaps Rechts: Synaps op synaptoprobe

Na een uitgebreide literatuurstudie vond ik een ideale manier om mijn doel te bereiken: een chemische structuur (een polymeer) die zoveel water opzuigt dat deze een gelstructuur krijgt gelijkaardig aan die van de hersenmassa. Deze polymeer kan ik aanbrengen op de elektrodes en de synaptische proteïnen kan ik er chemisch op binden. Het geheel wordt dan verankerd via een tweede polymeer, die bovendien ook geleidend is, waardoor de elektrode beter kan functioneren.

Naar gerichter hersenonderzoek

Het resultaat is een probe die kan ‘communiceren’ met een bepaald type neuron, afhankelijk van de gekozen trans-synaptische proteïnen. Hierdoor kunnen wetenschappers veel gerichter onderzoek voeren naar de werking van de hersenen en de ontwikkeling van een functionele brain computer interface. In ons eerder voorbeeld van de muis die op zoek gaat naar het kaasje bijvoorbeeld, kan onze data onmiddellijk opgesplitst worden in data afkomstig van activerende neuronen (span spier x op), deactiverende neuronen (ontspan spier Y), en andere soorten neuronen (speekselklier bijvoorbeeld). Onze dataset wordt op die manier veel waardevoller en gemakkelijker te interpreteren dan voorheen.

De synaptoprobe zou het volledig onderzoekparadigma op zijn kop kunnen zetten, en een katalysator zijn voor vitaal toekomstig hersenonderzoek. Een nieuwe stap in de richting van de technologie van morgen.