Return to Video

Ed Boyden: een lichtschakelaar voor neuronen

  • 0:00 - 0:02
    Denk eens even na over je dag.
  • 0:02 - 0:05
    Je werd wakker en voelde de frisse lucht op je gezicht toen je de deur uitliep.
  • 0:05 - 0:07
    Je ontmoette nieuwe collega's, voerde interessante discussies
  • 0:07 - 0:09
    en voelde ontzag als je iets nieuws had gevonden.
  • 0:09 - 0:11
    Maar ik wed dat er iets is waar je vandaag niet aan dacht -
  • 0:11 - 0:13
    iets zo dicht bij huis
  • 0:13 - 0:15
    dat je er waarschijnlijk helemaal niet vaak aan denkt.
  • 0:15 - 0:17
    Dat is dat alle sensaties, gevoelens,
  • 0:17 - 0:19
    beslissingen en acties verlopen
  • 0:19 - 0:21
    via die computer in je hoofd:
  • 0:21 - 0:23
    de hersenen.
  • 0:23 - 0:25
    Van buiten af bekeken hebben de hersenen hun uiterlijk niet mee -
  • 0:25 - 0:27
    een goede kilo vormeloos,
  • 0:27 - 0:29
    roze-grijs vlees.
  • 0:29 - 0:31
    De laatste honderd jaar van neurowetenschappelijke ontwikkeling
  • 0:31 - 0:33
    hebben ons in staat gesteld om in te zoomen op de hersenen
  • 0:33 - 0:35
    en de complexiteit ervan te zien.
  • 0:35 - 0:37
    We weten nu dat de hersenen
  • 0:37 - 0:39
    een ongelooflijk ingewikkeld netwerk zijn,
  • 0:39 - 0:43
    opgebouwd uit honderden miljarden cellen, neuronen genaamd.
  • 0:43 - 0:46
    In tegenstelling tot een door de mens ontworpen computer,
  • 0:46 - 0:48
    waar er een vrij klein aantal verschillende onderdelen zijn -
  • 0:48 - 0:51
    waarvan we weten hoe ze werken, omdat mensen hen ontwierpen -
  • 0:51 - 0:54
    bestaan de hersenen uit duizenden verschillende soorten cellen,
  • 0:54 - 0:56
    misschien wel tienduizenden.
  • 0:56 - 0:58
    In allerlei verschillende vormen en opgebouwd uit verschillende moleculen.
  • 0:58 - 1:01
    Ze zijn gericht op en verbonden met de verschillende hersengebieden.
  • 1:01 - 1:04
    Hun werking verandert ook op verschillende manieren bij verschillende ziektebeelden.
  • 1:04 - 1:06
    Laten we het concreet maken.
  • 1:06 - 1:08
    Er bestaat een klasse van cellen,
  • 1:08 - 1:11
    vrij kleine cellen, inhiberende cellen, die hun buren stilleggen.
  • 1:11 - 1:15
    Het is één van de soort cellen die geatrofieerd lijken te zijn bij ziekten als schizofrenie.
  • 1:15 - 1:17
    Ze heten korfcellen.
  • 1:17 - 1:19
    Een korfcel is een van de duizenden soorten cellen
  • 1:19 - 1:21
    die we bestuderen.
  • 1:21 - 1:23
    Elke dag worden er nieuwe ontdekt.
  • 1:23 - 1:25
    Een tweede voorbeeld:
  • 1:25 - 1:27
    deze piramidale cellen, grote cellen,
  • 1:27 - 1:29
    kunnen een aanzienlijk deel van de hersenen omvatten.
  • 1:29 - 1:31
    Ze sturen prikkels uit.
  • 1:31 - 1:33
    Dit zijn enkele van de cellen
  • 1:33 - 1:36
    die overactief kunnen zijn bij aandoeningen zoals epilepsie.
  • 1:36 - 1:38
    Elk van deze cellen
  • 1:38 - 1:41
    is een ongelooflijk elektrisch apparaat.
  • 1:41 - 1:43
    Zij ontvangen invoer van duizenden partners hogerop
  • 1:43 - 1:46
    en berekenen hun eigen elektrische uitvoerdata,
  • 1:46 - 1:48
    die vervolgens, als ze een bepaalde drempelwaarde overschrijden,
  • 1:48 - 1:50
    naar duizenden lagere partners zullen gaan.
  • 1:50 - 1:53
    Dit proces, dat slechts één milliseconde of zo in beslag neemt,
  • 1:53 - 1:55
    gebeurt duizenden keren per minuut
  • 1:55 - 1:57
    in elk van je 100 miljard cellen.
  • 1:57 - 1:59
    Zo lang je leeft,
  • 1:59 - 2:02
    denkt en voelt.
  • 2:02 - 2:05
    Hoe gaan we nu erachter komen wat dit netwerk doet?
  • 2:05 - 2:07
    Idealiter zouden we het netwerk kunnen nagaan,
  • 2:07 - 2:10
    verschillende soorten cellen in- en uitschakelen
  • 2:10 - 2:12
    en zien of we kunnen achterhalen
  • 2:12 - 2:14
    welke een bijdrage leveren aan bepaalde functies
  • 2:14 - 2:16
    en welke in de fout gaan bij bepaalde pathologieën.
  • 2:16 - 2:19
    Als we cellen zouden kunnen activeren, konden we zien welke effecten zij kunnen veroorzaken,
  • 2:19 - 2:21
    wat ze kunnen in gang zetten en in stand houden.
  • 2:21 - 2:23
    Als we ze konden uitschakelen,
  • 2:23 - 2:25
    dan konden we proberen uit te vissen wat hun functie is.
  • 2:25 - 2:28
    Daarover ga ik het vandaag hebben.
  • 2:28 - 2:31
    De afgelopen 11 jaar zijn we bezig geweest
  • 2:31 - 2:33
    met het zoeken naar een manier om
  • 2:33 - 2:35
    netwerken, cellen, routes en delen van de hersenen
  • 2:35 - 2:37
    aan en uit te schakelen.
  • 2:37 - 2:39
    Dit zowel om de wetenschap ervan te begrijpen
  • 2:39 - 2:42
    als om enkele van de problemen, waarmee wij mensen
  • 2:42 - 2:45
    geconfronteerd worden, te lijf te gaan.
  • 2:45 - 2:48
    Voordat ik wat ga vertellen over de technologie,
  • 2:48 - 2:51
    het slechte nieuws is dat een belangrijk deel van ons in deze zaal,
  • 2:51 - 2:53
    als we lang genoeg leven,
  • 2:53 - 2:55
    misschien zal te maken krijgen met een hersenaandoening.
  • 2:55 - 2:57
    Al één miljard mensen
  • 2:57 - 2:59
    hebben een hersenaandoening gehad,
  • 2:59 - 3:01
    die hen ernstig beperkt.
  • 3:01 - 3:03
    De cijfers alleen vertellen niet alles.
  • 3:03 - 3:05
    Deze aandoeningen - schizofrenie, Alzheimer,
  • 3:05 - 3:07
    depressie, verslaving -
  • 3:07 - 3:10
    verkorten niet alleen ons leven, ze veranderen wie we zijn.
  • 3:10 - 3:12
    Ze beroven ons van onze identiteit en veranderen onze emoties -
  • 3:12 - 3:15
    en veranderen wie we zijn als mensen.
  • 3:15 - 3:18
    In de 20e eeuw was er enige hoop
  • 3:18 - 3:21
    door de ontwikkeling van geneesmiddelen
  • 3:21 - 3:24
    voor de behandeling van hersenaandoeningen.
  • 3:24 - 3:27
    Er werden veel medicijnen ontwikkeld
  • 3:27 - 3:29
    om de symptomen van hersenaandoeningen te verlichten.
  • 3:29 - 3:32
    Maar vrijwel geen enkele van die ziektes kon genezen worden.
  • 3:32 - 3:35
    Voor een deel doordat we de hersenen overspoelen met het medicijn.
  • 3:35 - 3:37
    Dit uitgebreide netwerk,
  • 3:37 - 3:39
    bestaande uit duizenden verschillende soorten cellen,
  • 3:39 - 3:41
    wordt overspoeld met een stof.
  • 3:41 - 3:43
    Dat is ook de reden waarom misschien het grootste deel
  • 3:43 - 3:46
    van de geneesmiddelen op de markt ernstige bijwerkingen vertonen.
  • 3:46 - 3:49
    Sommige mensen vonden wat verlichting door
  • 3:49 - 3:52
    elektrische stimulatoren, geïmplanteerd in hun hersenen.
  • 3:52 - 3:54
    Voor de ziekte van Parkinson en
  • 3:54 - 3:56
    cochleaire implantaten
  • 3:56 - 3:58
    zijn ze inderdaad in staat geweest
  • 3:58 - 4:00
    een remedie te vormen
  • 4:00 - 4:02
    voor mensen met bepaalde ziekten.
  • 4:02 - 4:04
    Maar elektriciteit gaat in alle richtingen,
  • 4:04 - 4:06
    volgt de weg van de minste weerstand -
  • 4:06 - 4:08
    dat is waar die uitdrukking, voor een deel, vandaan komt.
  • 4:08 - 4:11
    Ze zal ook invloed hebben op de normale netwerken zowel als op de abnormale,
  • 4:11 - 4:13
    die je wil herstellen. We komen terug bij het idee
  • 4:13 - 4:15
    van ultra-nauwkeurige controle.
  • 4:15 - 4:18
    Zouden we informatie precies kunnen sturen naar waar we willen dat ze gaat?
  • 4:19 - 4:23
    Toen ik 11 jaar geleden in de neurowetenschappen begon,
  • 4:23 - 4:26
    was ik opgeleid als elektrotechnisch ingenieur en natuurkundige.
  • 4:26 - 4:28
    Het eerste wat ik dacht was:
  • 4:28 - 4:30
    als deze neuronen elektrische apparaten zijn,
  • 4:30 - 4:32
    is de opdracht een manier vinden
  • 4:32 - 4:34
    om die elektrische veranderingen van op afstand te sturen.
  • 4:34 - 4:36
    Als we de elektriciteit in één bepaalde cel konden aanzetten,
  • 4:36 - 4:38
    maar niet zijn buren, dan hadden we het gereedschap
  • 4:38 - 4:41
    om deze verschillende cellen te activeren en uit te schakelen.
  • 4:41 - 4:43
    Zo zouden we erachter kunnen komen wat ze doen en wat hun rol is
  • 4:43 - 4:45
    in de netwerken waar ze zijn ingebed.
  • 4:45 - 4:47
    Ook zou het ons in staat stellen om ultra-nauwkeurige controle
  • 4:47 - 4:50
    uit te oefenen om foute netwerkberekeningen
  • 4:50 - 4:52
    te herstellen.
  • 4:52 - 4:54
    Hoe gaan we dat doen?
  • 4:54 - 4:56
    Er bestaan tal van moleculen in de natuur
  • 4:56 - 4:59
    die in staat zijn om licht om te zetten in elektriciteit.
  • 4:59 - 5:01
    Je kan ze beschouwen als kleine eiwitmoleculen
  • 5:01 - 5:03
    die werken als zonnecellen.
  • 5:03 - 5:06
    Als we deze moleculen in neuronen kunnen inbouwen,
  • 5:06 - 5:09
    dan worden deze neuronen elektrisch aanstuurbaar met licht.
  • 5:09 - 5:12
    Maar niet hun buren, die niet over het molecuul beschikken.
  • 5:12 - 5:14
    Er is nog een andere magische truc nodig om dit allemaal
  • 5:14 - 5:17
    te laten gebeuren: hoe krijg je licht in de hersenen?
  • 5:17 - 5:20
    Dat kan - hersenen voelen geen pijn - door
  • 5:20 - 5:22
    gebruik te maken van alle uitvindingen
  • 5:22 - 5:24
    gedaan voor het internet, communicatie enzovoort -
  • 5:24 - 5:26
    zoals optische vezels verbonden met lasers.
  • 5:26 - 5:28
    Die kan je gebruiken om in diermodellen
  • 5:28 - 5:30
    in preklinische studies,
  • 5:30 - 5:32
    deze neuronen te activeren om te zien wat ze doen.
  • 5:32 - 5:34
    Hoe doen we dit nu?
  • 5:34 - 5:36
    Rond 2004, in samenwerking met
  • 5:36 - 5:38
    Gerhard Nagel en Karl Deisseroth,
  • 5:38 - 5:40
    kwam deze visie tot bloei.
  • 5:40 - 5:43
    Er bestaan algen die naar het licht
  • 5:43 - 5:45
    moeten kunnen navigeren
  • 5:45 - 5:47
    voor een optimale fotosynthese.
  • 5:47 - 5:49
    Het licht wordt opgevangen met een klein oogvlekje,
  • 5:49 - 5:52
    dat een beetje als ons eigen oog werkt.
  • 5:52 - 5:54
    In het membraan aan de buitenkant
  • 5:54 - 5:57
    zitten kleine eiwitten
  • 5:57 - 6:00
    die licht in elektriciteit kunnen omzetten.
  • 6:00 - 6:03
    Deze moleculen worden kanaalrhodopsinen genoemd.
  • 6:03 - 6:06
    Deze eiwitten werken een beetje als zonnecellen.
  • 6:06 - 6:09
    Wanneer er blauw licht op valt, gaat er een klein gaatje open.
  • 6:09 - 6:11
    Dat laat geladen deeltjes binnen in de oogvlek.
  • 6:11 - 6:13
    Daardoor kan deze oogvlek een elektrisch signaal afgeven
  • 6:13 - 6:16
    net zoals een zonnecel een batterij kan opladen.
  • 6:16 - 6:18
    Op de een of andere manier moeten we deze moleculen
  • 6:18 - 6:20
    in neuronen weten te installeren.
  • 6:20 - 6:22
    Omdat het een eiwit is,
  • 6:22 - 6:25
    zit het in het DNA van dit organisme gecodeerd.
  • 6:25 - 6:27
    Alles wat we moeten doen is dat DNA eruit halen,
  • 6:27 - 6:30
    het inbouwen in een gentherapie-vector, zoals een virus,
  • 6:30 - 6:33
    en het overbrengen naar de neuronen.
  • 6:33 - 6:36
    Het was een zeer productieve tijd in de gentherapie,
  • 6:36 - 6:38
    er waren veel virussen beschikbaar.
  • 6:38 - 6:40
    Het bleek heel eenvoudig om te doen.
  • 6:40 - 6:43
    We probeerden het vroeg in de ochtend op een zomerdag in 2004
  • 6:43 - 6:45
    en het werkte bij de eerste poging.
  • 6:45 - 6:48
    Je neemt dit DNA en je plaatst het in een neuron.
  • 6:48 - 6:51
    Het neuron maakt gebruik van zijn natuurlijke eiwitproductiemachinerie
  • 6:51 - 6:53
    om deze kleine lichtgevoelige eiwitten te fabriceren
  • 6:53 - 6:55
    en ze over de hele cel te installeren,
  • 6:55 - 6:57
    bijna als zonnepanelen op een dak.
  • 6:57 - 6:59
    Voor je het weet,
  • 6:59 - 7:01
    heb je een neuron dat kan worden geactiveerd met licht.
  • 7:01 - 7:03
    Dit is een zeer krachtig hulpmiddel.
  • 7:03 - 7:05
    Je moet er wel achter zien te komen
  • 7:05 - 7:07
    hoe je deze genen aan de juiste cellen aflevert
  • 7:07 - 7:09
    en niet aan alle andere buren.
  • 7:09 - 7:11
    Dat kan. Je kan de virussen zo instellen
  • 7:11 - 7:13
    dat ze slechts op enkele cellen inwerken en op andere niet.
  • 7:13 - 7:15
    Er zijn nog andere genetische trucs die je kan bovenhalen
  • 7:15 - 7:18
    om door licht geactiveerde cellen te krijgen.
  • 7:18 - 7:22
    Dit onderzoeksveld is nu bekend komen te staan als optogenetica.
  • 7:22 - 7:24
    Een voorbeeld hiervan is:
  • 7:24 - 7:26
    een van deze virussen gebruiken
  • 7:26 - 7:28
    om zijn gen alleen maar in één soort cel
  • 7:28 - 7:31
    van zo'n dicht netwerk af te leveren.
  • 7:31 - 7:33
    Als je dan licht op het gehele netwerk laat vallen,
  • 7:33 - 7:35
    zal enkel dat celtype worden geactiveerd.
  • 7:35 - 7:38
    Bijvoorbeeld zo'n korfcel waar ik het daarstraks over had -
  • 7:38 - 7:40
    die atrofieert bij schizofrenie -
  • 7:40 - 7:42
    en die een remmende functie heeft.
  • 7:42 - 7:44
    Als we dat gen kunnen leveren aan deze cellen -
  • 7:44 - 7:47
    en hun functie niet zal gewijzigd worden door de expressie van het gen, natuurlijk -
  • 7:47 - 7:50
    en vervolgens blauw licht over het hele hersenennetwerk laten schijnen,
  • 7:50 - 7:52
    dan zullen alleen deze cellen worden geactiveerd.
  • 7:52 - 7:54
    Als het licht wordt uitgeschakeld, gaan deze cellen terug naar de rusttoestand.
  • 7:54 - 7:57
    Daar lijken ze niet afkerig van te zijn.
  • 7:57 - 7:59
    Je kan dit niet alleen gebruiken om te onderzoeken wat deze cellen doen of
  • 7:59 - 8:01
    wat hun rekenvermogen is in de hersenen.
  • 8:01 - 8:03
    Je zou dit ook kunnen gebruiken om erachter te komen
  • 8:03 - 8:05
    of we misschien de activiteit van deze cellen kunnen opdrijven,
  • 8:05 - 8:07
    als ze daadwerkelijk geatrofieerd zijn.
  • 8:07 - 8:09
    Ik ga jullie een paar voorbeelden geven
  • 8:09 - 8:11
    over hoe we dit toepassen
  • 8:11 - 8:14
    zowel op de wetenschappelijke, klinische als preklinische niveaus.
  • 8:14 - 8:16
    Een van de vragen waarmee we te maken hebben is:
  • 8:16 - 8:19
    wat zijn de signalen in de hersenen die het gevoel van beloning oproepen?
  • 8:19 - 8:21
    Want als je die zou kunnen vinden, zouden dat een aantal
  • 8:21 - 8:23
    van de signalen zijn die het leren konden aansturen.
  • 8:23 - 8:25
    De hersenen zullen meer gaan doen van wat die beloning veroorzaakte.
  • 8:25 - 8:28
    Ook zijn dit de signalen die fout gaan bij stoornissen zoals verslaving.
  • 8:28 - 8:30
    Als we konden achterhalen welke cellen dat zijn,
  • 8:30 - 8:32
    kunnen we misschien nieuwe targets vinden waarvoor
  • 8:32 - 8:34
    geneesmiddelen kunnen worden ontworpen of tegen afgeschermd worden.
  • 8:34 - 8:36
    Misschien vinden we zo plaatsen waar elektroden kunnen worden ingebracht
  • 8:36 - 8:39
    bij mensen met een zeer ernstige invaliditeit.
  • 8:39 - 8:41
    Daarvoor vonden we een zeer eenvoudig paradigma
  • 8:41 - 8:43
    in samenwerking met de Fiorella groep.
  • 8:43 - 8:45
    Als het dier naar de ene kant van dit kleine doosje gaat,
  • 8:45 - 8:47
    krijgt het een lichtpuls om verschillende cellen
  • 8:47 - 8:49
    in de hersenen gevoelig te maken voor licht.
  • 8:49 - 8:51
    Als deze cellen een beloning kunnen bemiddelen,
  • 8:51 - 8:53
    dan zal het dier daar meer en meer naartoe gaan.
  • 8:53 - 8:55
    Dat is wat er gebeurt.
  • 8:55 - 8:57
    Dit dier gaat naar de rechterkant en steekt daar zijn neus in.
  • 8:57 - 8:59
    Telkens krijgt hij een flits van blauw licht.
  • 8:59 - 9:01
    Hij zal dat honderden keren herhalen.
  • 9:01 - 9:03
    Dit zijn de dopamineneuronen,
  • 9:03 - 9:05
    jullie misschien bekend als de pleziercentra van de hersenen.
  • 9:05 - 9:07
    We hebben aangetoond dat een korte activering ervan
  • 9:07 - 9:09
    genoeg is om het leren te bevorderen.
  • 9:09 - 9:11
    We kunnen het idee veralgemenen.
  • 9:11 - 9:13
    In plaats van op één punt in de hersenen te werken,
  • 9:13 - 9:15
    kunnen we apparaten bedenken die het ganse brein omvatten,
  • 9:15 - 9:17
    die licht kunnen leveren in driedimensionale patronen -
  • 9:17 - 9:19
    rijen optische vezels,
  • 9:19 - 9:21
    elk gekoppeld aan zijn eigen onafhankelijke miniatuurlichtbron.
  • 9:21 - 9:23
    We kunnen proberen om dingen in vivo te doen
  • 9:23 - 9:26
    die tot op vandaag alleen in een schaaltje gedaan werden -
  • 9:26 - 9:28
    zoals 'high-throughput screening' in het hele brein voor de signalen
  • 9:28 - 9:30
    die aanleiding kunnen geven tot bepaalde gebeurtenissen.
  • 9:30 - 9:32
    Of ze zouden goede klinische targets kunnen worden
  • 9:32 - 9:34
    voor de behandeling van hersenaandoeningen.
  • 9:34 - 9:36
    Een ander voorbeeld gaat over hoe we targets kunnen vinden
  • 9:36 - 9:39
    voor de behandeling van posttraumatische stressstoornis -
  • 9:39 - 9:42
    een vorm van ongecontroleerde angst en vrees.
  • 9:42 - 9:44
    We gingen uit van
  • 9:44 - 9:47
    een zeer klassiek model van angst.
  • 9:47 - 9:50
    Dit gaat terug tot de tijd van Pavlov.
  • 9:50 - 9:52
    Het heet Pavlov vreesconditionering -
  • 9:52 - 9:54
    hier eindigt een toon met een korte schok.
  • 9:54 - 9:56
    De schok is niet echt pijnlijk maar wel wat vervelend.
  • 9:56 - 9:58
    Geleidelijk aan - in dit geval, een muis,
  • 9:58 - 10:00
    een goed diermodel, vaak gebruikt in dergelijke experimenten -
  • 10:00 - 10:02
    leert het dier de toon te vrezen.
  • 10:02 - 10:04
    Het dier zal reageren door te verstijven,
  • 10:04 - 10:06
    zoals een hert voor de koplampen van een auto.
  • 10:06 - 10:09
    Welke targets vinden we nu in de hersenen
  • 10:09 - 10:11
    om deze angst te overwinnen?
  • 10:11 - 10:13
    We spelen de toon opnieuw af
  • 10:13 - 10:15
    nadat hij in verband is gebracht met angst.
  • 10:15 - 10:17
    We activeren verschillende targets in de hersenen
  • 10:17 - 10:20
    met behulp van die glasvezelrijen waarover ik het in de vorige dia had.
  • 10:20 - 10:22
    We proberen zo uit te zoeken welke targets
  • 10:22 - 10:25
    de hersenen die herinnering van angst kunnen doen overwinnen.
  • 10:25 - 10:27
    Deze korte video toont jullie een
  • 10:27 - 10:29
    van deze targets waar we nu aan werken. Het is een gebied in
  • 10:29 - 10:31
    de prefrontale cortex, een gebied waar we cognitie
  • 10:31 - 10:34
    kunnen gebruiken om aversieve emotionele toestanden te overwinnen.
  • 10:34 - 10:36
    Het dier hoort een toon - en dan komt er een lichtflits.
  • 10:36 - 10:38
    Er is geen geluid bij deze video maar je ziet het dier verstijven.
  • 10:38 - 10:40
    Deze toon betekende slecht nieuws.
  • 10:40 - 10:42
    In de linkerbenedenhoek is er een klokje te zien,
  • 10:42 - 10:45
    zodat je kunt zien dat het dier daar ongeveer twee minuten in blijft.
  • 10:45 - 10:47
    Deze volgende clip
  • 10:47 - 10:49
    is slechts acht minuten later.
  • 10:49 - 10:52
    Dezelfde toon is te horen en het licht gaat weer flitsen.
  • 10:52 - 10:55
    Oke, daar komt het. Nu.
  • 10:55 - 10:58
    Nu kan je zien dat na een experiment van slechts 10 minuten,
  • 10:58 - 11:01
    we erin geslaagd zijn het brein de uiting
  • 11:01 - 11:03
    van deze angstherinnering te laten overwinnen,
  • 11:03 - 11:05
    door dit gebied te fotoactiveren.
  • 11:05 - 11:08
    De afgelopen jaren lag onze focus op de boom des levens,
  • 11:08 - 11:11
    omdat we zochten naar manieren om netwerken in de hersenen uit te schakelen.
  • 11:11 - 11:14
    Als we dat konden doen, zou dit een zeer krachtige methode zijn.
  • 11:14 - 11:17
    Als je cellen een paar milliseconden of seconden kunt uitschakelen,
  • 11:17 - 11:19
    kun je uitzoeken welke noodzakelijke rol ze spelen
  • 11:19 - 11:21
    in de netwerken waarin ze zijn opgenomen.
  • 11:21 - 11:23
    We hebben nu organismen uit alle delen van de boom des levens onderzocht -
  • 11:23 - 11:26
    Ieder koninkrijk van het leven, behalve voor dieren, toont iets anders.
  • 11:26 - 11:29
    We vonden allerlei moleculen zoals halorhodopsinen of archaerhodopsinen
  • 11:29 - 11:31
    die reageren op groen en geel licht.
  • 11:31 - 11:33
    Ze doen net het tegenovergestelde dan het molecuul waar ik eerder over vertelde
  • 11:33 - 11:36
    met de blauw-lichtactivator kanaalrhodopsine.
  • 11:37 - 11:40
    Ik geef een voorbeeld van waar we denken dat dit naartoe gaat.
  • 11:40 - 11:43
    Denk bijvoorbeeld aan een aandoening zoals epilepsie,
  • 11:43 - 11:45
    waar de hersenen overactief zijn.
  • 11:45 - 11:47
    Als medicijnen niet werken bij epileptische behandeling, bestaat
  • 11:47 - 11:49
    een van de strategieën erin een deel van de hersenen te verwijderen.
  • 11:49 - 11:51
    Dat is natuurlijk onomkeerbaar en er kunnen bijwerkingen optreden.
  • 11:51 - 11:54
    Wat als we de hersenen alleen maar voor een korte tijd konden uitschakelen
  • 11:54 - 11:57
    totdat de aanval zou uitsterven?
  • 11:57 - 12:00
    Dan konden de hersenen misschien in hun oorspronkelijke staat worden hersteld -
  • 12:00 - 12:03
    net zoals een dynamisch systeem dat teruggebracht wordt tot een stabiele toestand.
  • 12:03 - 12:06
    Deze animatie probeert dit concept uit te leggen.
  • 12:06 - 12:08
    We hebben deze cellen gevoelig gemaakt om uitgeschakeld te worden met licht.
  • 12:08 - 12:10
    We bestralen met licht
  • 12:10 - 12:12
    en hopen, zolang de aanval duurt,
  • 12:12 - 12:14
    de cellen uit te kunnen schakelen.
  • 12:14 - 12:16
    We hebben hierover nog geen gegevens
  • 12:16 - 12:18
    maar we zijn erg enthousiast.
  • 12:18 - 12:20
    Ik wil afsluiten met nog een voorbeeld,
  • 12:20 - 12:22
    waarvan wij denken dat het nog een andere mogelijkheid is.
  • 12:22 - 12:24
    Misschien kunnen deze moleculen, als je ze ultra-nauwkeurig kunt controleren,
  • 12:24 - 12:26
    gebruikt worden in de hersenen zelf
  • 12:26 - 12:29
    om een nieuw soort prothese, een optische prothese, te maken.
  • 12:29 - 12:32
    Ik heb je al verteld dat elektrische stimulatoren niet ongewoon zijn.
  • 12:32 - 12:35
    Bij 75.000 mensen werd een Parkinson-deep-brainstimulator geïmplanteerd.
  • 12:35 - 12:37
    Misschien 100.000 mensen hebben al cochleaire implantaten
  • 12:37 - 12:39
    die hen in staat stellen om te horen.
  • 12:39 - 12:42
    Nog een probleem is dat je deze genen in de cellen moet krijgen.
  • 12:42 - 12:45
    Er is nieuwe hoop op gentherapie
  • 12:45 - 12:47
    omdat virussen zoals het adeno-geassocieerd virus,
  • 12:47 - 12:49
    waarvan de meesten van ons waarschijnlijk drager zijn,
  • 12:49 - 12:51
    en dat geen symptomen geeft,
  • 12:51 - 12:53
    bij honderden patiënten is aangewend
  • 12:53 - 12:55
    om genen in de hersenen of het lichaam af te leveren.
  • 12:55 - 12:57
    Tot nu toe zijn er geen ernstige bijwerkingen
  • 12:57 - 12:59
    geassocieerd met dit virus.
  • 12:59 - 13:02
    Er is nog een laatste olifant in de kamer, de eiwitten zelf,
  • 13:02 - 13:04
    die afkomstig zijn van algen, bacteriën, schimmels
  • 13:04 - 13:06
    en uit de rest van de boom des levens.
  • 13:06 - 13:08
    Wij hebben geen schimmels of algen in onze hersenen.
  • 13:08 - 13:10
    Wat gaan onze hersenen doen als we die erin brengen?
  • 13:10 - 13:12
    Gaan de cellen het verdragen? Zal het immuunsysteem reageren?
  • 13:12 - 13:14
    We zijn nog maar in het beginstadium, dit is nog niet op mensen uitgetest.
  • 13:14 - 13:16
    We werken aan een groot aantal studies
  • 13:16 - 13:18
    om dit uit te proberen en te onderzoeken.
  • 13:18 - 13:21
    Tot nu toe hebben we nog geen duidelijke reacties van enige ernst
  • 13:21 - 13:23
    op deze moleculen gezien
  • 13:23 - 13:26
    of van de bestraling van de hersenen met licht.
  • 13:26 - 13:29
    Het is nog te vroeg om besluiten te trekken, maar we zijn er erg enthousiast over.
  • 13:29 - 13:31
    Ik wilde afsluiten met een verhaal
  • 13:31 - 13:33
    waarvan wij denken dat het zou kunnen
  • 13:33 - 13:35
    leiden tot een klinische toepassing.
  • 13:35 - 13:37
    Er zijn vele vormen van blindheid
  • 13:37 - 13:39
    waarbij de fotoreceptoren,
  • 13:39 - 13:42
    onze lichtsensoren aan de achterkant van ons oog, zijn verdwenen.
  • 13:42 - 13:44
    Het netvlies is uiteraard een complexe structuur.
  • 13:44 - 13:46
    Laten we nu hier op inzoomen, zodat we het meer in detail kunnen zien.
  • 13:46 - 13:49
    De fotoreceptorcellen zitten bovenaan.
  • 13:49 - 13:51
    Vervolgens worden de signalen gedetecteerd door de fotoreceptoren
  • 13:51 - 13:53
    en getransformeerd via verschillende berekeningen.
  • 13:53 - 13:56
    Uiteindelijk gaat de laag cellen aan de onderkant, de ganglioncellen,
  • 13:56 - 13:58
    de informatie naar de hersenen doorgeven.
  • 13:58 - 14:00
    Daar komt de waarneming tot stand.
  • 14:00 - 14:03
    In veel vormen van blindheid, zoals retinitis pigmentosa,
  • 14:03 - 14:05
    of maculadegeneratie,
  • 14:05 - 14:08
    zijn de fotoreceptorcellen geatrofieerd of vernietigd.
  • 14:08 - 14:10
    Hoe kan je dit repareren?
  • 14:10 - 14:13
    Het is zelfs niet eens duidelijk of een geneesmiddel dit zou kunnen herstellen,
  • 14:13 - 14:15
    omdat er niets is waar het medicijn zich aan kan binden.
  • 14:15 - 14:17
    Aan de andere kant kan het licht nog steeds in het oog binnendringen.
  • 14:17 - 14:20
    Het oog is nog steeds transparant en licht kan erin.
  • 14:20 - 14:23
    Wat zou er gebeuren als we deze kanaalrhodopsinen en andere moleculen
  • 14:23 - 14:25
    zouden installeren op een aantal van deze andere reservecellen
  • 14:25 - 14:27
    en er kleine camera's van maken?
  • 14:27 - 14:29
    Omdat er zich zo veel van deze cellen in het oog bevinden,
  • 14:29 - 14:32
    kunnen het potentieel zeer hoge resolutie camera's worden.
  • 14:32 - 14:34
    Daar zijn we ook mee bezig.
  • 14:34 - 14:36
    Het onderzoek wordt geleid door een van onze medewerkers,
  • 14:36 - 14:38
    Alan Horsager van USC.
  • 14:38 - 14:41
    Een beginnende onderneming, Eos Neuroscience, gefinancierd door de NIH,
  • 14:41 - 14:43
    gaat het commercialiseren.
  • 14:43 - 14:45
    Hier een muis die een doolhof probeert op te lossen.
  • 14:45 - 14:47
    Het is een zesarmig doolhof. Er staat een beetje water in het doolhof om de muis
  • 14:47 - 14:49
    te motiveren om te bewegen. Anders blijft ze gewoon zitten.
  • 14:49 - 14:51
    Het doel, uiteraard, van dit doolhof
  • 14:51 - 14:53
    is om uit het water op een klein platform te geraken
  • 14:53 - 14:55
    dat zich onder de verlichte poort daarboven bevindt.
  • 14:55 - 14:58
    Muizen zijn slim. Deze muis lost uiteindelijk het doolhof op,
  • 14:58 - 15:00
    maar hij doet dat door gissen en missen.
  • 15:00 - 15:03
    Hij probeert al zwemmend alle mogelijkheden uit tot hij uiteindelijk op het platform geraakt.
  • 15:03 - 15:05
    Hij maakt daarvoor geen gebruik van zijn ogen.
  • 15:05 - 15:07
    Deze muizen zijn verschillende mutaties
  • 15:07 - 15:10
    die verschillende soorten blindheid, die ook bij mensen voor komen, simuleren.
  • 15:10 - 15:13
    We moeten deze verschillende modellen zorgvuldig onderzoeken
  • 15:13 - 15:15
    om te komen tot een algemene aanpak.
  • 15:15 - 15:17
    Hoe gaan we dit oplossen?
  • 15:17 - 15:19
    We gaan precies doen wat we beschreven in de vorige dia.
  • 15:19 - 15:21
    We gaan deze blauwlichtfotosensoren
  • 15:21 - 15:23
    installeren op een laag cellen
  • 15:23 - 15:26
    in het midden van het netvlies aan de achterkant van het oog
  • 15:26 - 15:28
    en er een camera van maken.
  • 15:28 - 15:30
    Net als het installeren van zonnecellen op de neuronen
  • 15:30 - 15:32
    om ze gevoelig te maken voor licht.
  • 15:32 - 15:34
    Licht wordt dan omgezet in elektriciteit.
  • 15:34 - 15:37
    Deze muis was een paar weken voor dit experiment blind
  • 15:37 - 15:40
    en kreeg een dosis van dit lichtgevoelige molecuul via een virus toegediend.
  • 15:40 - 15:42
    Je kunt zien dat het dier nu wel degelijk de muren kan vermijden,
  • 15:42 - 15:44
    naar dit kleine platform gaan
  • 15:44 - 15:47
    en opnieuw cognitief gebruik maken van haar ogen.
  • 15:47 - 15:49
    Om nog maar eens te wijzen op het buitengewone resultaat:
  • 15:49 - 15:51
    deze dieren zijn in staat om net zo snel naar dat platform
  • 15:51 - 15:53
    te gaan als dieren die dat hun hele leven hebben gedaan.
  • 15:53 - 15:55
    Deze preklinische studie, denk ik,
  • 15:55 - 15:57
    houdt hoop in
  • 15:57 - 15:59
    voor de toekomst.
  • 15:59 - 16:02
    Tot slot wil ik erop wijzen dat we ook nieuwe businessmodellen
  • 16:02 - 16:04
    uitproberen voor dit nieuwe gebied van neurotechnologie.
  • 16:04 - 16:06
    Wij ontwikkelen deze tools, maar we delen ze vrijelijk
  • 16:06 - 16:08
    met honderden groepen over de hele wereld, zodat mensen eruit
  • 16:08 - 16:10
    kunnen leren en proberen verschillende stoornissen te behandelen.
  • 16:10 - 16:13
    Door uit te zoeken hoe we deze hersennetwerken
  • 16:13 - 16:16
    kunnen herstellen en bewerken op abstract niveau,
  • 16:16 - 16:19
    hopen we ertoe te komen enkele van deze hardnekkige aandoeningen
  • 16:19 - 16:21
    waar ik het eerder over had en die nu ongeneeslijk zijn,
  • 16:21 - 16:23
    in de 21ste eeuw uit de wereld te helpen.
  • 16:23 - 16:25
    Dank u.
  • 16:25 - 16:38
    (Applaus)
  • 16:38 - 16:41
    Juan Enriquez: Een deel van dit spul is nogal zwaar op de hand.
  • 16:41 - 16:43
    (Gelach)
  • 16:43 - 16:45
    Maar de implicaties
  • 16:45 - 16:48
    om epilepsieaanvallen onder controle te krijgen
  • 16:48 - 16:50
    met licht in plaats van met geneesmiddelen,
  • 16:50 - 16:53
    en de mogelijkheid om zich specifiek hierop te richten
  • 16:53 - 16:55
    is een eerste stap.
  • 16:55 - 16:57
    Het tweede ding dat ik denk dat ik je hoorde zeggen
  • 16:57 - 17:00
    is dat je de hersenen in twee kleuren kan controleren.
  • 17:00 - 17:02
    Net als een aan/uit-schakelaar.
  • 17:02 - 17:04
    Ed Boyden: Dat klopt.
  • 17:04 - 17:07
    JE: Dat maakt dat elke impuls die door de hersenen gaat een binaire code is.
  • 17:07 - 17:09
    EB: Juist, ja.
  • 17:09 - 17:12
    Dus met blauw licht kunnen we informatie invoeren in de vorm van een één.
  • 17:12 - 17:14
    En door uit te schakelen krijgen we min of meer een nul.
  • 17:14 - 17:16
    Dus hopen we om uiteindelijk voor de hersenen co-processoren te bouwen
  • 17:16 - 17:18
    die werken met de hersenen,
  • 17:18 - 17:21
    waardoor we functionaliteit kunnen vergroten bij mensen met een handicap.
  • 17:21 - 17:23
    JE: in theorie betekent dit dat
  • 17:23 - 17:25
    als een muis voelt, ruikt,
  • 17:25 - 17:27
    hoort, raakt,
  • 17:27 - 17:30
    je dat kan modelleren als een reeks enen en nullen.
  • 17:30 - 17:32
    EB: Natuurlijk, ja. We hopen om dit te gebruiken om uit te testen
  • 17:32 - 17:34
    welke neurale codes bepaalde gedragingen kunnen aansturen,
  • 17:34 - 17:36
    alsook bepaalde gedachten en bepaalde gevoelens,
  • 17:36 - 17:39
    en dat gebruiken om meer over de hersenen te weten te komen.
  • 17:39 - 17:42
    JE: Betekent dit dat je ooit je herinneringen zou kunnen downloaden
  • 17:42 - 17:44
    en misschien uploaden?
  • 17:44 - 17:46
    EB: Dat is iets waar we al mee bezig zijn.
  • 17:46 - 17:48
    We proberen nu
  • 17:48 - 17:50
    de hersenen te bedekken met opname-elementen.
  • 17:50 - 17:53
    Zo kunnen we gegevens registreren en vervolgens de informatie terug invoeren -
  • 17:53 - 17:55
    een beetje uitrekenen wat de hersenen nodig hebben
  • 17:55 - 17:57
    om de verwerking van informatie te vergroten.
  • 17:57 - 18:00
    JE: Nou, dat zou een paar dingen kunnen veranderen. Dank je. (EB: Dank je wel.)
  • 18:00 - 18:03
    (Applaus)
Title:
Ed Boyden: een lichtschakelaar voor neuronen
Speaker:
Ed Boyden
Description:

Ed Boyden laat zien hoe, door het inbrengen van genen voor lichtgevoelige eiwitten in hersencellen, hij specifieke neuronen met glasvezel-implantaten selectief kan activeren of de-activeren. Met deze ongekende mate van controle, is hij erin geslaagd bij muizen analogen van PTSS (post-traumatische stressstoornis) en bepaalde vormen van blindheid te genezen. Aan de horizon: neurale prothesen. Gastheer Juan Enriquez leidt achteraf een korte vraag-en-antwoordsessie.

more » « less
Video Language:
English
Team:
closed TED
Project:
TEDTalks
Duration:
18:04
Rik Delaet added a translation

Dutch subtitles

Revisions