Life sciences, Smart Health Een betere kijk op het levende brein Als deel van hun missie werken de NERF-onderzoekers aan nieuwe technologieën om de studie van de hersenen te versnellen. Op termijn moet dat leiden tot een verbetering van de diagnose en behandeling van hersenziektes zoals Alzheimer of posttraumatische stressstoornis. Sinds 2011 voert NERF (Neuro-Electronics Research Flanders) onderzoek uit op een domein dat sterk tot de verbeelding spreekt: het ontrafelen van de architectuur van ons brein en zenuwstelsel. De samenwerking tussen de zes NERF-onderzoeksgroepen is op zich al opmerkelijk, maar de potentiële impact van hun multidisciplinaire aanpak en van de onderzoeksinstrumenten die zij ontwikkelen, is nog vele malen groter. Die instrumenten laten bijvoorbeeld toe om het levende brein aan het werk te zien. En ze zullen uiteindelijk bijdragen aan een betere diagnose en behandeling van hersenziektes. Vincent Bonin, Karl Farrow en Alan Urban, drie hoofdonderzoekers bij NERF, geven een woordje uitleg. Schaal is belangrijk Vincent Bonin: Samen met Karl bestudeer ik hoe signalen afkomstig van onze zintuigen en meer bepaald van onze ogen in de hersenen worden verwerkt. Daarbij proberen wij na te gaan hoe de visuele cortex het deel van onze hersenen dat visuele informatie verwerkt is georganiseerd. En we willen ook zien hoe de visuele signalen zich over ons hele brein verspreiden en welke invloed dat op ons gedrag heeft. Maar om dat te doen moeten we in de hersenen zelf kunnen kijken. Welke hersencellen worden precies geactiveerd? En wat veroorzaakt dat verderop in de hersenen? Ons werk is bijzonder complex en tijdrovend, onder andere door de enorme schaalverschillen tussen de diverse structuren die wij bestuderen. Soms onderzoeken wij aparte neuronen, die maar enkele tot enkele tientallen microns groot zijn, soms ook de activiteit in groepen van honderden of duizenden neuronen. Vandaar leidt ons onderzoek ons naar patronen in hersengebieden met miljoenen cellen en ten slotte bekijken wij de activiteit op het niveau van de volledige hersenen, meer dan 80 miljard neuronen. Een belangrijke uitdaging is dat instrumenten om op een bepaalde schaal te kijken niet bruikbaar zijn op een andere schaal. We kunnen met andere woorden niet met dezelfde bril kijken naar de activiteit van een enkel neuron als naar de activiteit in een groot hersengebied. We hebben daar andere instrumenten voor nodig. 1/7
Daarom is het zo belangrijk om deel uit te maken van een groot R&D-center op nanotechgebied: sommige van de instrumenten die wij nodig hebben, kunnen hier worden ontwikkeld en gebouwd. Denk aan de Neuropixels-sonde die nu wereldwijd in labs wordt gebruikt om simultaan de elektrische activiteit van honderden neuronen in een bepaald hersengebied te registreren. En een andere techniek die wij momenteel verfijnen functional ultrasound imaging of fusi geeft ons een nog bredere kijk op de patronen van activiteit in de hersenen. Als het instinct zijn geheimen prijsgeeft Karl Farrow: Ik ben vooral geïnteresseerd in instinctief, aangeboren gedrag en hoe dat in gang wordt gezet door visuele stimuli. Wij weten al lang dat zo n instinctief gedrag wordt aangestuurd door circuits in de middenhersenen. Dit is het oudste gedeelte van het brein, dat wij als mensen gemeen hebben met veel andere organismen en dat zich diep onder onze menselijke, denkende hersenen bevindt. Het is interessant om na te gaan hoe dat oude brein omgaat met visuele stimuli. Als een klein dier hoog in de lucht een bewegend voorwerp ziet, krimpt het ineen of vlucht het voor wat het als een roofvogel interpreteert. Maar als datzelfde voorwerp op zijn eigen hoogte beweegt, wordt het dier nieuwsgierig en gaat het soms zelf naderbij kijken. Wordt dat gedrag mee gestuurd door vaste structuren en verbindingen in de hersenen? En hoe gebeurt dat? Mensen en dieren pikken visuele signalen op met hun netvlies, het lichtgevoelige deel van het oog. Dit is een fascinerend en uitvoerig bestudeerd weefseltype, met meer dan veertig soorten cellen. Wij kunnen nu vrij gemakkelijk nagaan welke cellen door bepaalde stimuli worden geactiveerd. Daarvoor worden meestal laboratoriumdieren ingezet die in hun netvlies specifieke cellen hebben die gevoelig zijn voor laserlicht als ze worden geactiveerd. De test verloopt in grote lijnen als volgt: we tonen de dieren lijnen, vlekken, bewegende voorwerpen en schijnen tegelijk laserlicht op het netvlies, dat we observeren met een microscoop. Vervolgens zien we welke cellenconfiguraties geactiveerd worden bij welke input. 2/7
Mensen en dieren pikken visuele signalen op met hun netvlies, het lichtgevoelige deel van het oog. Dit is een fascinerend en uitvoerig bestudeerd weefseltype, met meer dan veertig soorten cellen. Hersenonderzoekers (zoals bv. die van NERF) bestuderen welke cellen door bepaalde stimuli worden geactiveerd om beter te begrijpen hoe de hersenen omgaan met visuele informatie. Bij de aangeboren activatie speelt vervolgens de zogeheten superior colliculus een belangrijke rol. Dit hersengebied werkt als een schakelcentrale voor signalen tussen het netvlies en andere hersendelen. Wij hebben recent sommige van die signaalbanen blootgelegd. En wat blijkt? Het netvlies, de superior colliculus en diepere hersenzones zijn geen black boxes waarin elk neuron kan worden geprikkeld door alle andere, maar er lopen inderdaad aangeboren signaalbanen door. Cellen in de superior colliculus krijgen dus bij voorkeur input van specifieke soorten netvliescellen en activeren op hun beurt specifieke dieper gelegen gebieden. Wij hanteren vaak beeldvormingstechnieken die activatie van één enkele cel zichtbaar maken. Maar om de activiteit van de ene cel naar de andere in beeld te brengen, injecteren we in de netvliescellen een virus dat is gemodificeerd om fluorescerend licht uit te stralen. Wanneer het virus door de signaalbanen van het ene neuron naar het andere beweegt, kunnen wij al een aantal verbindingen in kaart brengen. Maar momenteel is het nog lastig om de relatie tussen cellen die in de superior colliculus - schakelcentrale worden geactiveerd en dieper gelegen gebieden in het brein aan te tonen. Hiervoor zouden we heel zorgvuldig micrometer per micrometer de activiteit moeten volgen over afstanden van millimeters of zelfs centimeters. Laat staan dat we de simultane activatie in het hele brein zouden kunnen zien. Toch is juist dat nodig als wij de relatie tussen wat wij zien en hoe wij ons gedragen willen ophelderen. Bloed zet ons op het juiste spoor Alan Urban: Een neuron heeft altijd zuurstof en voedingsstoffen nodig om te functioneren. Die worden naar de miljarden hersencellen aangevoerd via een uiterst dicht vertakt netwerk van heel fijne haarvaten. Er bestaat bijgevolg een rechtstreeks verband tussen lokale breinactiviteit en bloedstroming, een verschijnsel dat neurovasculaire koppeling wordt genoemd. Dus als we erin zouden slagen om in real time en niet-invasief de kleine variaties in bloeddoorstroming in de haarvaten te monitoren, dan kunnen we kijken naar het actieve brein, met een uniek gezichtsveld en hoge resolutie. Er bestaat al een techniek om met beelden van breinactiviteit te maken aan de hand van de bloeddoorstroming: fmri, of functional magnetic resonance imaging. Maar jammer genoeg is fmri heel omslachtig en moeilijk toe te passen op kleine labdieren. Bovendien moet het dier verdoofd zijn (terwijl we juist een wakker brein willen observeren), is fmri zeer duur en blijft de resolutie al bij al beperkt. 3/7
Een andere techniek voor niet-invasieve bloedstroommonitoring die in de medische praktijk goed ingeburgerd is, is echografie. Er wordt daarbij een sterk gebundelde ultrasone golf uitgezonden, die na terugkaatsing door de weefsels een soort radarbeeld oplevert. Dat ontstaat mede door het Doppler-effect, waarbij bewegende elementen zoals bloed dat door aders stroomt, de teruggekaatste golven beïnvloeden. Echografie is perfect bruikbaar voor grote bloedvaten, maar echter niet voor de capillaire bloedvaten in de hersenen. Bovendien dringen de ultrasone golven niet diep genoeg door in de weefsels en krijg je alleen een oppervlakkig beeld. Al die beperkingen vallen weg met functional ultrasound imaging of fusi, een aangepaste versie van ultrasone beeldvorming. In plaats van gebundelde ultrasone golven zendt het toestel gewone ultrasone golven uit, maar met een hoge frequentie en met een hoge verversingssnelheid, en dat doorheen een 2Ddoorsnede van het brein. Aan de hand van de teruggekaatste golven wordt het beeld mathematisch gereconstrueerd. Door de ultrasone zender lichtjes te verplaatsen en beelden te maken van opeenvolgende 2-D doorsnedes, ontstaat een 3D-beeld van de hersenactiviteit. Wij gebruiken momenteel nog steeds traditionele piëzo-elektrische transducers om de ultrasone signalen op te pikken. De transducers worden geassembleerd uit aparte elementen en het maximaal aantal sensoren op een transducer wordt onder meer beperkt door de bekabeling die nodig is om de sensorgegevens uit te lezen. Het zou een enorme stap voorwaarts betekenen als we de klassieke transducer zouden kunnen vervangen door de MUT-technologie (Micromachined Ultrasonic Transducer). Hierbij worden in silicium duizenden microscopisch kleine trommetjes gefreesd. Die trommetjes genereren de ultrasone golven. En in plaats van de ingewikkelde bekabeling van de traditionele transducers is de hele uitleeselectronica mee op de chip geïntegreerd. Zodra we dat integratieniveau halen, hangen de resolutie van de fusi-techniek en de mogelijkheid om 3Dhersenbeelden te maken (of zelfs 4D, inclusief de factor tijd) alleen nog af van verdere schaalverkleining van de elektronica en de beschikbare rekenkracht. In de labs wint fusi al terrein als onderzoeksinstrument. Wereldwijd gebruiken enkele tientallen labs onze recente ontwikkelingen om een beter inzicht in hersencircuits te krijgen. Ons multidiciplinair team probeert nu de technologie nog te verfijnen. Door het potentieel aan verdere opschaling zou fusi op termijn een veelzijdig, betaalbaar instrument kunnen worden, dat elk neurobiologielab in zijn toolkit zal willen hebben. Bovendien is fusi niet alleen voor fundamenteel onderzoek bruikbaar. Het is onze ambitie om deze technologie ook voor klinische doeleinden in te zetten, bijvoorbeeld tijdens neurochirurgie. Een realtime 3D-kaart van actieve hersengebieden levert zeer waardevolle informatie op voor hersenchirurgen. Ook bij pasgeboren baby s, wanneer er een vermoeden is dat hun hersenen onvoldoende zuurstof en bloed krijgen, kan fusi nuttig zijn. Artsen moeten dan snel beslissen of ze een behandeling opstarten, maar kennen de toestand van de hersenen niet. De ultrasone golven worden dan door de fontanelvliezen aan de voorzijde van het babyhoofdje gericht en leveren de nodige informatie op. 4/7
De impact vergroten Vincent Bonin: De zes NERF-onderzoeksgroepen vormen samen een uniek ecosysteem om de structuur en functie van de hersenen te onderzoeken en om nieuwe manieren van werken te verfijnen. We ontwikkelen immers voortdurend zeer diverse en complementaire technieken en tools. En we zijn zo georganiseerd dat samenwerking heel gemakkelijk op te zetten is, vaak binnen enkele dagen. Op die manier zijn de zes labs uitgegroeid tot een expertisecentrum voor beeldvorming van de hersenen, ook binnen het VIB (Vlaams Instituut voor Biotechnologie). Zo hebben wij onlangs hersenbeelden aangeleverd voor een paper over Alzheimer door een van de toonaangevende wetenschappers op dit domein. De samenwerking met het nanotech R&D-center imec waarin we zijn ingebed, is minstens even belangrijk. De ingenieurs van imec hebben bijvoorbeeld een belangrijke rol gespeeld bij het ontwerpen van de Neuropixels-sonde, die wij ook testen en gebruiken. Zij hebben ook de expertise om op termijn van fusi een krachtig, veelzijdig en compact hulpmiddel te maken. Als NERF-onderzoekers willen wij wegen op de manier waarop aan hersenwetenschap wordt gedaan. Als onderzoek veel sneller en efficiënter kan gebeuren, ontstaat er ruimte voor meer en nieuwe experimenten. Die zullen uiteindelijk onze kennis over hersenen sterk vergroten. Over hoe gezonde hersenen werken, maar ook over wat er fout loopt bij bijvoorbeeld post-traumatische stress of Alzheimer, en wat we daaraan kunnen doen. Meer weten? Neuro-Electronics Research Flanders (NERF) is een interdisciplinair onderzoekscentrum dat werd opgericht door imec, KU Leuven en VIB (Vlaams Instituut voor Biotechnologie). NERF bestudeert neuronale circuits en ontwikkelt nieuwe technologieën om activiteiten in hersencircuits te linken aan hersenfuncties. Dit is een recente studie waarbij het brein in kaart werd gebracht met fusi: https:// www.nerf.be/news/whole-brain-imaging-of-mice-during-behavior 5/7
Over Vincent Bonin Vincent Bonin studeerde elektrische engineering en computerwetenschap vóór hij zijn aandacht richtte op de neurowetenschap. Hij doctoreerde aan ETH Zurich (Zwitserland) en deed een postdoc aan de Harvard Medical School (USA). In 2011 verhuisde Vincent naar Leuven om er met een eigen laboratorium te beginnen en NERF te helpen oprichten. Het onderzoek van Vincent spitst zich toe op de visuele cortex, de bijbehorende hersencircuits en de rol ervan bij zintuiglijke perceptie en gedrag. Het lab hanteert methodes uit de biologie, engineering en fysica om mechanismen achter prikkelverwerking bloot te leggen. Over Karl Farrow Karl Farrow voerde doctoraal onderzoek uit aan het Max-Planck Institute of Neurobiology. Hij specialiseerde zich in de dissectie van kleine neurale circuits van het bewegingsdetectiegedeelte van het visuele systeem van de vleesvlieg. Als postdoctorale fellow van de Harvard Medical School en het Friedrich Miescher Institute onderzocht Karl hoe lokale circuits in het netvlies bij muizen zijn georganiseerd om celtypespecifieke berekeningen te maken. Momenteel concentreert Karl zijn onderzoek bij NERF op het leggen van verbanden tussen de eerste fasen van visuele verwerking in het netvlies en de activatie van gedrag door subcorticale hersenstructuren. 6/7
Over Alan Urban Alan Urban behaalde zijn doctoraat in moleculaire en celbiologie aan de Université de Lorraine (Frankrijk). Hij studeerde af in de experimentele chirurgie aan de Descartesuniversiteit in Parijs en werkte in die stad ook als assistent-hoogleraar in de neurowetenschap aan de Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielle (ESPCI). Van 2012 tot 2016 leidde hij een onderzoeksteam aan het INSERM Hospital Sainte-Anne in Parijs. Alan was tevens gastonderzoeker aan het RIKEN Institute (Japan) en aan de Tel-Aviv University (Israël). Hij richtte verscheidene bedrijven op en is een onafhankelijke consultant in beeldvormingstechnologie. Zijn team leverde een belangrijke bijdrage tot de ontwikkeling van functional ultrasound imaging (fusi). Sinds 2016 is Alan Urban groepsleider bij NERF en deeltijds hoogleraar aan het departement neurofysiologie van de KU Leuven. 7/7