tokamak toroidal magnetic chamber
© AFP/Getty Images
De toroïdale magnetische kamer (Tokamak) van de Joint European Torus (JET) in het Culham Science Centre.

" Stoere " nieuwe methode maakt gebruik van een gemagnetiseerd eiwit om hersencellen snel, omkeerbaar en non-invasief te activeren.


Onderzoekers in de Verenigde Staten ontwikkelden een nieuwe methode om hersencircuits te besturen welke geassocieerd worden met complexe gedragingen bij dieren door het totstandbrengen van een gemagnetiseerd eiwit middels genetische modificatie, dat specifieke groepen zenuwcellen vanaf afstand activeert.

Eén van de uiteindelijke doelstellingen van de neurowetenschappen - en één van de moeilijkste vragen daarbinnen, is het begrijpen hoe in de hersenen gedrag tot stand wordt gebracht. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers een aantal methoden ontwikkeld waarmee zij specifieke groepen neuronen op afstand kunnen besturen en de werking van neuronale circuits kunnen onderzoeken.

De krachtigste methode is die van de optogenetica, door middel waarvan onderzoekers met laserlichtpulsen populaties van verwante neuronen per milliseconde kunnen in- of uitschakelen. Een andere recent ontwikkelde methode, welke chemogenetica wordt genoemd, maakt gebruik van gemodificeerde eiwitten welke door synthetische drugs worden geactiveerd en kunnen worden gericht op specifieke celtypes.

Hoewel ze krachtig zijn, hebben beide methoden nadelen. Optogenetica is invasief, omdat er optische vezels moeten worden ingebracht welke de lichtpulsen in de hersenen afgeven en voorts is de mate waarin het licht in het dichte hersenweefsel doordringt zeer beperkt. Chemogenetische benaderingen overkomen deze twee beperkingen, maar induceren normaliter biochemische reacties, die enkele seconden in beslag nemen om zenuwcellen te activeren.

De nieuwe techniek, ontwikkeld in het lab van Ali Güler aan de Universiteit van Virginia in Charlottesville en beschreven in een advance online publicatie in het tijdschrift Nature Neuroscience, is niet alleen non-invasief, maar kan neuronen tevens snel en omkeerbaar activeren.

Uit verschillende eerdere studies bleek dat zenuwceleiwitten die door warmte en mechanische druk worden geactiveerd, genetisch zo kunnen worden gemodificeerd dat zij gevoelig worden voor radiogolven en magnetische velden, door ze te hechten aan een ijzerbevattend eiwit, ferritine genaamd, of aan anorganische paramagnetische deeltjes. Deze methoden betekenen een belangrijke vooruitgang - zij zijn bijvoorbeeld reeds gebruikt om de bloedsuikerspiegel bij muizen te regelen - maar waarbij meerdere componenten betrokken zijn die afzonderlijk moeten worden geïntroduceerd.

De nieuwe techniek bouwt voort op dit eerdere werk en is gebaseerd op een eiwit met de naam TRPV4, hetwelk gevoelig is voor zowel temperatuur als uitrekkende krachten. Deze stimuli openen de centrale porie, waardoor elektrische stroom door het celmembraan kan stromen; dit wekt zenuwimpulsen op die naar het ruggenmerg en vervolgens naar de hersenen afreizen.

Güler en zijn collega's meenden dat magnetische torsiekrachten (of roterende krachten) TRPV4 kunnen activeren door de centrale porie open te trekken en daarom gebruikten zij genetische modificatie om het eiwit te laten samensmelten met de paramagnetische regio van ferritine, samen met korte DNA-sequenties die cellen ertoe aanzetten om eiwitten naar het zenuwcelmembraan te transporteren en daarin in te brengen.


Toen zij deze genetische constructie introduceerden in menselijke embryonale niercellen die in petrischaaltjes groeiden, synthetiseerden de cellen het 'Magneto'-eiwit en brachten het in hun membraan in. Toepassing van een magnetisch veld activeerde het gemodificeerde TRPV1-eiwit, zoals bleek uit de tijdelijke toename van de calciumionenconcentratie in de cellen, welke werd waargenomen met een fluorescentiemicroscoop.


Vervolgens brachten de onderzoekers de Magneto DNA-sequentie in het genoom van een virus in, samen met het gen dat codeert voor groen fluorescerend eiwit en regulerende DNA-sequenties, welke ervoor zorgen dat de formule alleen tot expressie komt in gespecificeerde types neuronen. Daarna injecteerden zij het virus in de hersenen van muizen gericht op de entorhinale cortex en ontleedden de hersenen van de dieren om de cellen te identificeren die groene fluorescentie afgaven. Met behulp van micro-elektroden toonden zij vervolgens aan, dat toepassing van een magnetisch veld op de hersenplakken Magneto activeerde, zodat de cellen zenuwimpulsen produceren.

Teneinde vast te stellen of Magneto kan worden gebruikt om neuronale activiteit in levende dieren te manipuleren, injecteerden zij Magneto in zebravislarven, gericht op neuronen in de romp en staart die normaal een ontsnappingsreactie controleren. Vervolgens plaatsten zij de zebravislarven in een speciaal gebouwd gemagnetiseerd aquarium en ontdekten dat blootstelling aan een magnetisch veld leidde tot oprolmanoeuvres welke vergelijkbaar zijn met die welke optreden tijdens de ontsnappingsreactie. (Bij dit experiment waren in totaal negen zebravislarven betrokken terwijl latere analyses uitwezen, dat bij elke larve ongeveer 5 neuronen aanwezig waren die Magneto tot expressie brachten).

In een laatste experiment injecteerden de onderzoekers Magneto in het striatum van muizen die vrij gedrag konden vertonen, een diepe hersenstructuur welke dopamine-producerende neuronen bevat die betrokken zijn bij beloning en motivatie, waarna de dieren vervolgens in een apparaat werden gezet, dat verdeeld was in gemagnetiseerde en niet-magnetiseerde secties. Muizen die Magneto tot expressie brachten, brachten veel meer tijd door in de gemagnetiseerde gebieden dan muizen die dat niet deden, omdat activering van het eiwit ervoor zorgde dat de striatale neuronen die het tot expressie brachten dopamine afgaven, waardoor de muizen aanwezigheid in die gebieden als prettig ervoeren. Dit toont aan dat Magneto het vuren van neuronen diep in de hersenen op afstand kan controleren en ook complexe gedragingen kan sturen.

Neurowetenschapper Steve Ramirez van de Harvard Universiteit, die optogenetica gebruikt om herinneringen in de hersenen van muizen te manipuleren, vindt het een "stoere" studie.

"Eerdere pogingen [om met magneten neuronale activiteit te controleren] hadden meerdere componenten nodig om het systeem te laten werken - het injecteren van magnetische deeltjes, het injecteren van een virus dat een hittegevoelig kanaal tot expressie brengt, [of] het vastzetten van de kop van het dier zodat een spoel veranderingen in het magnetisme zou kunnen opwekken," zo legt hij uit. "Het probleem met een systeem dat uit meerdere componenten bestaat, is dat er zoveel ruimte is voor elk afzonderlijk onderdeel om kapot te gaan."

"Dit systeem bestaat uit een enkel, elegant virus dat overal in de hersenen kan worden geïnjecteerd, waardoor het technisch gemakkelijker is en er minder kans is dat bewegende toeters en bellen stuk gaan," voegt hij eraan toe, "en hun gedragsapparatuur was slim ontworpen om magneten te bevatten waar dat nodig was, zodat de dieren vrij konden bewegen."

'Magnetogenetica' is dus een belangrijke aanvulling op de gereedschapskist van neurowetenschappers en ongetwijfeld zullen verdere ontwikkelingen plaatsvinden welke onderzoekers nieuwe manieren zullen verschaffen om de ontwikkeling en functie van de hersenen te bestuderen.

Referentie

Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetically targeted magnetic control of the nervous system. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract]

Zie:https://www.theguardian.com/science/neurophilosophy/2016/mar/24/magneto-remotely-controls-brain-and-behaviour