July 11, 2005
La Jolla, CA – Jarenlang probeerden wetenschappers informatie over het zenuwstelsel te verzamelen door de elektrische activiteit van één hersencel tegelijk vast te leggen. Omdat zelfs bij de eenvoudigste functies van het zenuwstelsel vele duizenden neuronen betrokken zijn, geeft het vastleggen van de activiteit van individuele of slechts een handvol zenuwcellen geen volledig beeld.
Daarom ontwikkelden neurobiologen van het Salk Institute for Biological studies, in samenwerking met een internationale groep van hoogenergetische natuurkundigen, een microscopische elektrode-array waarmee ze de activiteit van honderden zenuwcellen tegelijkertijd kunnen volgen.
Hun onderzoek legt de technologische en biologische basis voor de ontwikkeling van visuele prothetische apparaten die op een dag een zekere mate van zicht zouden kunnen herstellen bij mensen van wie het netvlies, een dun weefsel langs de achterkant van het oog, is beschadigd door ziekte of trauma.
"Ons apparaat stelt ons in staat om erachter te komen wat er nodig is om de juiste soort informatie aan de hersenen te leveren. Hopelijk wordt wat we nu leren over vijf jaar geïntegreerd in visuele prothetische apparaten, "zegt EJ Chichilnisky, een universitair hoofddocent in de Systems Neurobiology Laboratories en senior auteur van de studie, die wordt gepubliceerd in het juli-nummer van het Journal of Neurophysiology.
In vereenvoudigde termen wordt visie gegenereerd wanneer licht dat het oog binnenkomt door het netvlies wordt omgezet in een reeks sterk verwerkte elektrische signalen die door de oogzenuw naar de visuele cortex van de hersenen worden vervoerd. Wanneer het netvlies beschadigd is, wordt dit circuit onderbroken en ontstaat blindheid. Netvliesimplantaten zijn ontworpen om het beschadigde netvlies te omzeilen met behulp van kleine elektrode-arrays die worden gebruikt om elektrische signalen op te wekken in zenuwcellen achter in het oog.
De afgelopen jaren zijn bij een handjevol mensen de eerste prototypes van netvliesprothesen geïmplanteerd. Maar het zicht dat wordt geproduceerd door deze implantaten, die slechts 16 elektroden bevatten, is buitengewoon grof en laat de patiënten alleen onderscheid maken tussen lichtflitsen.
In samenwerking met de Salk-onderzoekers ontwikkelden Alan Litke, een deeltjesfysicus aan het Santa Cruz Institute for Particle Physics aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz, en zijn team een microscopische elektrode-array die 10 keer kleiner is maar bezaaid met meer dan 30 maal het aantal elektroden in vergelijking met de huidige implantaten. Elk van de 512 elektroden meet slechts 5 micrometer breed of ongeveer 1/20 van de breedte van een mensenhaar. Hoewel deze array niet geschikt is voor implantatie bij mensen, kan deze worden gebruikt om te bestuderen hoe patronen van elektrische stimulatie neuronen in uitgesneden netvlies beïnvloeden.
Salk-neurobiologen Eric S. Frechette en Chichilnisky gebruikten de 512-elektrode-array om te bestuderen hoe precies het netvlies informatie over bewegende objecten naar de hersenen overbrengt. Ze plaatsten een klein stukje netvlies bovenop de array en stimuleerden de fotoreceptoren in het netvlies met dynamische visuele beelden, terwijl de elektrode-array de signalen registreerde die werden gegenereerd als reactie op de bewegende stimuli. Door de visuele input te vergelijken met de elektrische output van het netvlies, konden de onderzoekers de neurale code bestuderen die door het netvlies wordt gebruikt om zinvolle informatie door te geven aan de hersenen.
“Het netvlies communiceert beweging niet via een enkele cel, maar via een activiteitspatroon waarbij veel cellen betrokken zijn. Terwijl de stimulus, zoals een rijdende auto of rennende gazelle, beweegt, passeert een overeenkomstige golf van activiteit het netvlies”, legt Chichilnisky uit. Hij voegt eraan toe dat "totdat we rechtstreeks van honderden cellen konden opnemen, het onmogelijk was om te zeggen hoe nauwkeurig het netvlies informatie over snelheid en bewegingsrichting aan de hersenen doorgaf."
Nu kunnen ze dat. Op basis van het activiteitspatroon dat door het netvlies wordt gegenereerd, konden de neurobiologen de snelheid van het geprojecteerde bewegende object schatten met een verrassende nauwkeurigheid van 99 procent. "In de dagelijkse praktijk is het cruciaal om te weten hoe snel en in welke richting dingen bewegen, denk maar aan auto's op een snelweg met vijf rijstroken of een gazelle die een roofdier probeert te ontwijken", zegt Chichilnisky.
Bovendien is de technologie mogelijk toepasbaar bij de studie van andere neurale circuits in de hersenen.
Momenteel gebruikt het team van Chichilnisky de microscopische elektrode-array om elektrische signalen in netvliescellen op te wekken. Op basis van wat ze hebben geleerd van hun opnamestudies, zullen ze in toekomstige studies proberen de neurale code na te bootsen die door het netvlies wordt gebruikt om visuele informatie naar de hersenen te sturen.
“Hopelijk kunnen we in veel zenuwcellen een betekenisvol activiteitspatroon creëren. Dit zal de basis leggen voor het bouwen van apparaten waarmee blinde proefpersonen kunnen doen wat ze willen, zoals een straat oversteken of gewoon niet tegen dingen aanlopen”, zegt Chichilnisky.
Wetenschappers van het Santa Cruz Institute for Particle Physics die aan het artikel hebben bijgedragen, zijn onder meer natuurkundestudent Matthew Grovich, postdoctoraal onderzoeker Dumitru Petrusca en postdoctoraal natuurkundige Alexander Sher. Belangrijke bijdragen aan de technologische ontwikkeling werden ook geleverd door Wladek Dabrowski en zijn ontwerpteam voor geïntegreerde schakelingen aan de AGH University of Science and Technology in Krakau, Polen.
Het werk werd gedeeltelijk mogelijk gemaakt door een Salk Institute Innovation-subsidie, gefinancierd door bijdragen van particuliere donoren.
Het Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Californië, is een onafhankelijke non-profitorganisatie die zich inzet voor fundamentele ontdekkingen in de levenswetenschappen, de verbetering van de menselijke gezondheid en de opleiding van toekomstige generaties onderzoekers. Jonas Salk, MD, wiens poliovaccin de verlammende ziekte poliomyelitis in 1955 vrijwel had uitgeroeid, stichtte het Instituut in 1960 op land geschonken door de stad San Diego en met de financiële steun van de March of Dimes.
Bureau voor communicatie
Tel: (858) 453-4100
pers@salk.edu
