Een internationaal team van wetenschappers en onderzoekers is erin geslaagd kunstmatige synapsen te ontwikkelen die ook echt kunnen communiceren met levende cellen. Een systeem dat in de toekomst mogelijk gebruikt kan worden voor regeneratieve genezing van hersenen of om prothesen met de hersenen te 'verbinden'. De resultaten van het onderzoek en de vinding zijn gepubliceerd in Nature Materials.
Veel wetenschappers dromen al tientallen jaren van het nabootsen van het menselijk brein. Zowel de computer- als de medische wereld zoeken naar het oplossen van neurale problemen en uitdagingen en zijn jaloers op de energie-efficiëntie en leerkracht van hersenen. Yoeri van de Burgt, onderzoeker van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) ontwikkelde in 2017, als postdoc aan de Stanford University, met succes een kunstmatige synaps van organische materialen.
Samen met Italiaanse (Italian Institute of Technology) en Amerikaanse (Stanford University) onderzoekers is Yoeri er nu in geslaagd om deze synaps daadwerkelijk te laten communiceren met levende cellen die op zenuwcellen lijken. "Net als een echt brein blijkt ons systeem een leer- en geheugenfunctie te hebben. Dit brengt ons weer een stap dichter bij een adaptieve verbinding met de hersenen, wat geavanceerde prothesen en regeneratieve geneeskunde mogelijk maakt", aldus van de Burgt.
Ultra-efficiënt leersysteem
Hersenen bestaan uit zenuwcellen die elektrochemische signalen (neurotransmitters en ionen) naar elkaar sturen. Deze cellen praten met elkaar via twee synapsen. Daartussen bevindt zicht een smalle spleet die als transportmedium voor de signalen fungeert. Elke keer als een signaal door de synaptische spleet gaat, wordt de verbinding tussen de synapsen sterker en energie-efficiënter.
Dit komt doordat de signalen de geleidbaarheid van de ontvangende synaps permanent aanpassen en optimaliseren. Deze versterking van het pad is de manier waarop de hersenen leren. De ontvangende synaps verwerkt niet alleen de signalen, maar heeft ook een geheugenfunctie. Alles bij elkaar maakt dat het een ultra-efficiënt en leersysteem is.
Communicerende kunstmatige synaps
Het systeem van twee synapsen en een synaptische spleet werd door de onderzoekers gereconstrueerd met behulp van twee geleidende elektroden bestaande uit een zacht polymeer met daartussen een elektrolytoplossing. Vervolgens hebben de onderzoekers de levende cellen bovenop de eerste elektrode kunnen plakken en kunnen voeren via een kweekmedium.
"De meeste onderzoeksgroepen die werken aan het meten van hersenactiviteit en brain-computer-interfaces (BCI) kunnen elektrische signalen alleen meten. Maar die signalen zijn slechts een afgeleide van de processen in de synaps. Wij kunnen het proces écht nabootsen. Daarvoor werken we, net als de hersenen zelf, met elektrochemische signalen. Dat maakt onze aanpak niet alleen efficiënter maar ook relevanter", zo licht van de Burgt toe.
Transmissie in de synaptische spleet
In Eindhoven werkte van de Burgt, samen met promovendus Setareh Kazemzadeh, voornamelijk aan het transport van vloeistoffen tussen de twee synapsen. "De levende cellen in ons systeem communiceren met de elektrode omdat de neurotransmitter uit de cel een (redox) reactie ondergaat en dus ionen vormt. Deze ionen gaan dan door de spleet naar de tweede elektrode. Hierdoor verandert de geleidende toestand van deze tweede elektrode. Een deel van die verandering blijft behouden en simuleert het leerproces dat plaatsvindt in een echt brein", legt Van de Burgt uit. De verwerking en opslag van het signaal vindt dus tegelijkertijd plaats, net als in een echte synaps. Dat is wat het systeem zo energie-effciënt maakt.
De de neurotransmitters moeten vervolgens opnieuw worden gevormd om zich voor te bereiden op het volgende signaal van de cel. Dat proces is door de onderzoekers ook gereproduceerd. "Met een microfluïdisch systeem konden we het biologisch relevante proces van de zogenaamde endocytose nabootsen. Dit betekent dat we de synapsen in hun oorspronkelijke staat kunnen herstellen. We zijn hierin geslaagd door zuurstof naar de kunstmatige synapsen te transporteren. Dat bleek goed te werken. Het is proces is niet exact gelijk aan dat van de hersenen, maar het geeft wel hetzelfde eindresultaat", zegt Yoeri.
Voor het testen van de kunstmatige synapsen werden de op zenuwcellen lijkende cellen van ratten gebruikt die de neurotransmitter dopamine afgeven. Deze dopamine kon door de onderzoekers in het systeem geïdentificeerd worden. "We zagen dat de dopamine inderdaad - zoals we hadden gehoopt - een permanente verandering in de tweede elektrode veroorzaakt, waardoor de geleidende toestand van het systeem verandert", aldus van de Burgt.
Zenuwcellen met elkaar laten 'praten'
De volgende stap voor Van de Burgt is het toepassen van de kunstmatige synaps op medische problemen. Bijvoorbeeld om betere prothesen te ontwikkelen die in staat zijn echt met het lichaam en de hersenen te communiceren of om niet-functionerende hersendelen te genezen met behulp van regeneratief en adaptief materiaal.
Van de Burgt heeft zijn zinnen ook op het ontwikkelen van veel moeilijkere toepassingen. Zoals bij patiënten met compleet doorgesneden ruggengraat. Met een regeneratief en adaptief systeem kunnen de beschadigde zenuwen weer met elkaar leren communiceren. Vooralsnog is dit nog verre toekomstmuziek want, zo zegt van de Burgt "op dat punt in het ruggenmerg heb je geen synapsen in de buurt. En daar is ons huidige systeem op gebouwd."
