Wat als we ons brein eindelijk écht kunnen doorgronden?

De werking van ons brein wordt weleens omschreven als een ‘zwarte doos’. Wat we denken, wat we voelen: het blijft uitermate moeilijk te lezen, te verklaren, laat staan te veranderen. Spitstechnologie zet de poort naar ons brein stilaan wel op een kier. De mogelijkheden en bijbehorende implicaties zijn enorm. Maar in de eerste plaats is het goed nieuws voor de behandeling van een heel aantal – vandaag vrijwel onbehandelbare - hersenziektes.

Stel je voor dat we ons eigen brein op een dag helemaal zouden doorgronden. Het zou ons kunnen helpen om te begrijpen wat ons gelukkig maakt. Misschien zou het psychologen op slag werkloos maken. Het zou ertoe leiden dat we ziektes als epilepsie of de ziekte van Parkinson elektrisch kunnen controleren, waardoor ze géén wezenlijke impact meer zouden hebben op de levenskwaliteit van patiënten. Of stel je voor dat mensen die hun zicht of spraak verloren hebben na een ongeval weer zouden kunnen zien of spreken doordat we hersensignalen nauwkeurig opvangen in het brein en omzetten in taal of beeld.

Dat scenario lijkt vandaag nog behoorlijk futuristisch. En eerlijk: dat is het ook. Maar de technologie brengt ons wel elke dag een stap dichter bij het moment waarop we onze hersenen volledig kunnen ontrafelen. Bij imec werken onderzoekers aan een nieuwe generatie van medische tools - de neuropixels probe - die ons in staat stelt om heel diep in het menselijk brein te kijken, en de werking ervan veel beter te begrijpen. Dat is namelijk een cruciale randvoorwaarde om ooit ook succesvol te kunnen ingrijpen bij problemen in die hersenen. 

“Een van de meest onbegrepen structuren van het universum bevindt zich niet in een ver sterrenstelsel, maar vlak onder onze schedel. Daarom moeten we een telescoop voor ons brein maken. En dat kan alleen maar met de extreme precisie van chiptechnologie.” - Peter Peumans, senior VP Health bij imec

Wat valt er te beleven, zo diep in de hersenen? Alles!

Onze hersenen zijn een elektrisch orgaan dat bestaat uit netwerken van neuronen of hersencellen die snelle elektrische pulsen afvuren om informatie uit te wisselen. Deze elektrische signalen vormen onze gedachten en gevoelens, en controleren tal van functies in ons lichaam. Door die signalen te bestuderen kunnen hersenwetenschappers een kijkje nemen in wat tot nu toe in grote mate een ‘black box’ was, en erachter komen hoe de hersenen functioneren (of waar ze tekortschieten).

“Dankzij neuropixels probes begrijpen we steeds beter hoe Alzheimer gezonde hersenen verandert en aantast. Die kennis vormt de basis voor een succesvolle behandeling.” - Marleen Welkenhuysen, R&D team leader Neurochip characterization bij imec

Het komt erop neer dat we toegang krijgen tot onze interne computer, het ultieme besturingssysteem van ons lichaam.

De kracht van de neuropixelsfamilie

Klassieke metingen van hersenactiviteit gebeuren via elektrodes of sensoren die aangebracht worden op je hoofdhuid. De beperkte resolutie van die methode laat enkel toe om globale patronen van die activiteit op te vangen. Doordat de signalen door de schedel en de huid moeten gemeten wordt, blijft het beeld vrij korrelig en ruw. Een andere klassieker is de MRI-scan. Die kan dan weer de enorme snelheid van de signalen niet volgen die heen- en-weer gestuurd worden in ons brein. Om de snelle en subtiele interacties tussen neuronen op te vangen moet je eigenlijk in dezelfde ruimte zijn als waar die signalen ontstaan: binnenin de hersenen dus.

Hoe werkt het?

1. Inplanting: De flinterdunne schacht wordt via een operatie in het brein geplaatst.
2. Meting: Elke elektrode vangt elektrische signalen op van individuele neuronen.
3. Analyse: De subtiele signalen van neuronen worden in realtime doorgestuurd naar de interfacekaart op de probe zelf, waar ze worden versterkt en gedigitaliseerd. Zo vermijden we signaalverlies over kabels. Die interfacekaart wordt verbonden met een computer.
4. Interpretatie: AI-algoritmes herkennen afwijkende patronen in de signalen – bijvoorbeeld bij epileptische activiteit of beginnende Alzheimer.
5. Feedback: op langere termijn zullen de elektrodes niet enkel elektrische pulsen vangen, maar ook terugsturen om processen in het brein bij te sturen. Het ultieme doel is een ‘closed loop’, waarbij we kunnen meten en onmiddellijk bijsturen op basis van die metingen.

Signalen rechtstreeks in de hersenen opmeten is uiteraard geen sinecure. Je wil een implantaat dat diep kan gaan, maar tegelijk smal genoeg is om geen fragiel weefsel te beschadigen. Bovendien moet het robuust genoeg zijn om weken of zelfs maanden in het lichaam signalen te registreren. Onderzoekers uit België, de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk en Portugal sloegen de handen in elkaar om die uitdaging aan te gaan. In 2017 ontwikkelde imec in samenwerking met gerenommeerde instellingen als het Allen Institute for Brain Science en de HHMI Janelia Research Campus ‘de neuropixels probe’, een naaldvormige probe die alle bestaande neurotechnologieën fors overklaste met een factor 10 tot 100 qua resolutie en toegang gaf tot duizend elektroden, die diep in de hersenen konden meten. In 2021 volgde een tweede versie met maar liefst vijfduizend elektroden: de neuropixels probe 2.0. Deze nieuwe generatie neuroprobes is tot vandaag het neusje van de zalm in neurowetenschappelijk onderzoek.

De neuropixels 2.0:

• Kan signalen van duizenden neuronen tegelijk meten
• Kan signalen over lange periodes stabiel blijven volgen
• Kan gegevens in realtime verzenden naar een externe analyse-eenheid
• Heeft 5.000 elektrodes over vier ultradunne naaldvormige schachten
• Wordt vervaardigd met CMOS-tools, wat ervoor zorgt dat ze met constante, betrouwbare kwaliteit geproduceerd kunnen worden aan een relatief lage kost.

Vandaag wordt deze technologie gebruikt in zo’n 1300 labo’s wereldwijd. De stap naar klinische toepassingen is in volle voorbereiding.

Tegelijk wordt ook naarstig gewerkt aan een nog verbeterde versie, de neuropixels 3.0. In die versie willen de onderzoekers het aantal elektrodes opnieuw gevoelig opdrijven en de registratie van de activiteit van misschien wel 50.000 tot 100.000 neuronen mogelijk maken. Het doel is ook om de bandbreedte voor communicatie met de analyse-eenheid (op het einde van de naaldvormige schacht) te verbeteren, en tegelijkertijd de omvang van die basis nog eens verder te verkleinen.

Een weelde aan toekomstige toepassingen

Net als bij microchips in de begindagen van de halfgeleiderindustrie is het moeilijk om alle toepassingen te voorspellen die de neuropixelstechnologie mogelijk zal maken. Het Allen Institute for Brain Science in Seattle heeft onlangs neuropixels gebruikt om een database op te stellen van de activiteit van 100.000 neuronen die betrokken zijn bij datgene wat we zien, de visuele perceptie dus. Later zou die informatie gebruikt kunnen worden om een brain-machine interface te ontwikkelen, die mensen die blind geworden zijn, weer kan laten zien door de connectie te herstellen tussen de visuele cortex en hun brein.

Een groep aan de universiteit van Stanford gebruikte de implantaten dan weer om in kaart te brengen hoe de waarneming van dorst zich manifesteert in de hersenen. Ook andere, complexere gevoelens, zouden we op dezelfde manier in beeld kunnen krijgen.

Intussen zijn de eerste succesvolle testen met neuropixels in menselijke hersenen uitgevoerd. De neuropixels probes zouden gebruikt kunnen worden om geïmplanteerde stimulatoren die de tremoren in de ziekte van Parkinson onder controle houden, beter te positioneren, met 10-µm nauwkeurigheid. Ze zouden ook kunnen helpen om de regio’s te bepalen die epilepsieaanvallen veroorzaken, zodat corrigerende chirurgie enkel in de probleemzone moet gebeuren, en minder bijwerkingen heeft.