Dat kan binnenkort veranderen. Zoals Stanford onderzoekers rapporteren 12 dec. in Light: Science and Applications, hebben ze een manier ontwikkeld om hersencellen elektrische signalen te zien verzenden met behulp van alleen licht, een paar lenzen en andere optische elementen, en een snelle videocamera.

De sleutel tot de nieuwe aanpak, zei Daniel Palanker, een hoogleraar oogheelkunde en senior auteur van het nieuwe artikel, is dat wanneer neuronen elektrische signalen afvuren, ze subtiel van vorm veranderen. Die verandering op nanometerschaal kan worden gemeten met optische technieken.

Tot nu toe hebben Palanker, Tong Ling, een postdoctoraal fellow en de hoofdauteur van het nieuwe artikel, en collega’s die minuscule vormveranderingen gemeten in netwerken van neuron-achtige cellen in een laboratoriumschaal. Ze zijn nu hun methoden aan het aanpassen om neuronen in de hersenen van levende dieren te bestuderen. Als dat lukt, zou dat kunnen leiden tot een meer natuurlijke manier om ten minste sommige delen van de hersenen te bestuderen.

“Het is allemaal natuurlijk, geen chemische markers, geen elektroden, niets. Het zijn gewoon cellen zoals ze zijn,” zei Palanker, die lid is van Stanford Bio-X en het Wu Tsai Neurosciences Institute.

De vorm van dingen

Er gebeurt veel wanneer neuronen vuren. Er is natuurlijk het elektrische signaal zelf, dat door elektroden kan worden opgepikt. Er zijn ook chemische veranderingen, die kunnen worden gedetecteerd met fluorescerende moleculen die oplichten wanneer een neuron vuurt.

En dan is er nog de vorm. Onderzoekers realiseerden zich voor het eerst dat neuronen van vorm veranderen door meer dan 40 jaar geleden neuronen van rivierkreeften te bestuderen. In 1977 kaatste een team van Stanford- en UCSF-onderzoekers een laser op een neuron van een rivierkreeft terwijl het vuurde en toonde aan dat de breedte ervan veranderde met ruwweg de dikte van een streng menselijk DNA.

Het vertalen van deze resultaten naar een manier om neuronen die in menselijke of andere zoogdierhersenen vuren optisch te observeren, stuitte op een aantal uitdagingen. Zo zijn de neuronen van rivierkreeften 10 tot 100 keer dikker dan de neuronen van zoogdieren. Bovendien kan de techniek die de oorspronkelijke groep gebruikte – een eenvoudige vorm van wat interferometrie wordt genoemd – alleen veranderingen in één enkel punt tegelijk meten, wat betekent dat het kan worden gebruikt om slechts een klein gebied van één cel tegelijk te bestuderen, in plaats van de hele cel of zelfs een netwerk van neuronen die met elkaar communiceren in de hersenen in beeld te brengen.

Schijnend nieuw licht op neuronvuren

Om sommige van die problemen op te lossen, wendden Ling, Palanker en collega’s zich eerst tot een variatie op standaard interferometrie genaamd kwantitatieve fase microscopie die onderzoekers in staat stelt om hele microscopische landschappen in kaart te brengen — bijvoorbeeld het landschap van een netwerk van cellen opgesteld op een glasplaat. De techniek is eenvoudig genoeg om te kunnen worden uitgevoerd door laserlicht door die cellen te schijnen, het door een paar lenzen, filters en andere optische elementen en filters te laten gaan, en de output met een camera op te nemen. Dat beeld kan vervolgens worden verwerkt om een topografische kaart van de cellen te maken.

Ling, Palanker en het team redeneerden dat ze de techniek konden gebruiken om te meten hoeveel neuronen van vorm veranderen wanneer ze vuren. Om dit idee te testen, kweekten zij een netwerk van neuron-achtige cellen op een glasplaat en gebruikten een videocamera om op te nemen wat er gebeurde wanneer de cellen – in feite nier-afgeleide cellen die waren gemodificeerd om zich meer als neuronen te gedragen – vuurden. Door de video te synchroniseren met elektrische opnamen en het gemiddelde te nemen van enkele duizenden voorbeelden, creëerde het team een sjabloon dat beschrijft hoe cellen bewegen wanneer ze vuren: in ongeveer vier milliseconden neemt de dikte van de cel toe met ongeveer drie nanometer, een verandering van ruwweg een honderdste van een procent. Zodra de maximale dikte is bereikt, heeft de cel nog ongeveer een tiende van een seconde nodig om weer in te krimpen.

Hersencellen aan het werk

In de eerste fase van het experiment had het team elektroden nodig om erachter te komen wanneer de cellen vuurden. In de tweede fase toonden de teamleden aan dat ze hun sjabloon konden gebruiken om het afvuren van cellen te zoeken en te identificeren zonder op elektroden te hoeven vertrouwen.

Er zijn nog een aantal stappen te nemen voordat het team de methode in echte hersenen kan laten werken. Ten eerste moet het team de techniek laten werken in echte neuronen, in tegenstelling tot de neuronachtige cellen waar ze tot nu toe naar hebben gekeken. “Neuronen zijn meer pietluttig,” zei Palanker, maar het team is al begonnen met het experimenteren met hen.

Een tweede uitdaging is dat neuronen in echte hersenen niet in een enkele laag op een glasplaat zijn gerangschikt, zoals de cellen waren die Palanker’s lab bestudeerde. In het bijzonder kan het team geen lasers door de hersenen schijnen en verwachten dat er aan de andere kant veel uit komt, laat staan bruikbare gegevens. Gelukkig, zei Palanker, werken de technieken die ze gebruikten met doorvallend licht op dezelfde manier in gereflecteerd licht, en de meeste neuronen reflecteren genoeg licht dat de aanpak in theorie zou moeten werken.

Er is één beperking die het team waarschijnlijk niet zal kunnen omzeilen – aangezien licht niet diep in de hersenen doordringt, zal de nieuwe methode alleen in staat zijn om de buitenste lagen te onderzoeken. Maar voor projecten die alleen deze lagen hoeven te bestuderen, zou de techniek onderzoekers een schonere, eenvoudigere manier kunnen geven om de hersenen te bestuderen.

“Gewoonlijk beïnvloeden invasieve methoden wat cellen doen, waardoor de metingen minder betrouwbaar worden,” zei Palanker. “Hier doe je niets met de cellen. Je kijkt eigenlijk alleen hoe ze bewegen.”