Wetenschap

Neuroprotheses kunnen mogelijk blindheid genezen

Hersencel zoekt
contact met chip

Door S. M. de Bruijn
Hersencellen die groeien op een computerchip. Bij zo'n verhaal begint elke sciencefictionschrijver te watertanden. De Duitse hoogleraar die erin slaagde zenuwcellen te laten communiceren met een chip, reageert echter nuchter. We zijn nog oneindig ver weg van het kabeltje tussen de hersenen en de harde schijf van een computer, concludeert hij.

„Je scheppingstanden, dat zijn toch maar de beste”, verzuchtte de oud gereformeerd predikant wijlen ds. J. van der Poel ooit. Toch zullen er weinig vooroorlogse Nederlanders rondlopen die geen gebruik hoeven te maken van een of andere noodvoorziening. Is het geen kunstgebit, dan wel een bril of een gehoorapparaat.

Zo'n hulpstuk is handig, maar haalt het niet bij de volgende generatie protheses. De neuroprothese is in opmars: een kunstmatig verlengstuk van het zenuwstelsel. Een heel bekende is de pacemaker, een apparaatje dat de hartspier laat samentrekken, bij patiënten bij wie de zenuwprikkelgeleiding naar het hart verstoord is.

Zo'n pacemaker doet niets meer dan op gezette tijden een elektrische schok sturen die de hartspier stimuleert. Het zenuwstelsel van de mens is eigenlijk een soort elektriciteitsnetwerk binnen het lichaam, dat met behulp van stroomstootjes signalen stuurt vanuit de hersenen –een uiterst ingewikkelde zenuwknoop– naar spieren door het hele lichaam. Dus lijkt het heel eenvoudig om de functie van een zenuw over te nemen met behulp van wat elektronica.

Zo simpel is dat echter niet, meent prof. dr. P. Fromherz van het Max Planck Institut voor biochemie in München. Vorige week gaf hij in Utrecht een lezing op een symposium met de uitdagende titel: “Connecting the brain”, het aansluiten van de hersenen.

Elektronisch oog
Computerchips zijn niet eenvoudigweg aan zenuwen vast te knopen, maakt Fromherz duidelijk. Al sinds 1985 begint hij zijn lezingen met de klassieke plaatjes van een persoon die achter een computer zit. „Mechano-optisch”, noemt hij het contact tussen de hersenen en het apparaat: de persoon stuurt commando's naar de pc via het toetsenbord en de computer stuurt informatie terug naar de hersenen via het scherm. In het volgende plaatje is het contact vervangen door twee draadjes vanuit de hersenen naar een computerkast en terug. Scherm en toetsenbord zijn nu overbodig geworden.

Met een paar cijfers toont Fromherz aan dat er een enorm verschil tussen zenuwen en chips bestaat. Elektronen in een chip bewegen zich ongeveer 1 miljoen keer zo snel als het signaal door een zenuwbaan. Een rechtstreekse aansluiting van de hersenen op de computer is ondenkbaar, meent hij. De hoogleraar lijkt het zat om aan het zoveelste publiek uit te leggen dat zo'n kabeltje ook helemaal niet de bedoeling is van zijn onderzoek.

Wat voor toepassingen heeft Fromherz dan op het oog? Eind vorig jaar trok zijn groep de aandacht van de internationale media. Hij slaagde erin losse zenuwcellen uit de hersenen van een rat een signaal te laten sturen naar een computerchip. De hersencellen werden gekweekt in een vloeistof boven de chip. Gaf hij de cellen een stroomstootje, dan gaven ze onmiddellijk een signaal af dat de chip kon meten.

Het onderzoek van Fromherz is van groot belang voor neuroprotheses. En dan niet zozeer voor de pacemaker, maar bijvoorbeeld voor een netvliesprothese. Een aantal Duitse onderzoeksgroepen werkt aan een elektronisch kunstnetvlies waarmee blinden in de toekomst mogelijk weer kunnen zien. Een lichtgevoelige chip aan de achterkant van het oog ontvangt het beeld, vertaalt dat naar zenuwsignalen en geeft die via de oogzenuw door aan de hersenen.

Gehoorprothese
Is het onderzoek naar zo'n elektronisch oog nog in een pril stadium, een elektronisch oor is al praktijk. Wereldwijd lopen naar schatting zo'n 20.000 mensen rond met een gehoorprothese. Dat zogenaamde cochleaire implantaat is een langwerpig staafje met 22 elektrodes dat een chirurg aanbrengt in de windingen van het slakkenhuis, een spiraalvormig onderdeel van het binnenoor.

Met slechts 22 elektroden verdeeld over de 17 millimeter lange kunstofdraad lukt het redelijk om het menselijke stemgeluid na te bootsen. Dat werkt doordat de zenuwen die het signaal ontvangen, over de hele lengte van het slakkenhuis verspreid zijn. Een chip achter het oor stuurt, afhankelijk van de toonhoogte, stroomstootjes naar de diverse elektrodes. Die signalen arriveren op verschillende plaatsen in de windingen van het slakkenhuis, net alsof ze veroorzaakt waren door verschillende tonen. Mensen die voorheen volstrekt doof waren, kunnen met zo'n prothese 80 procent van de zinnen weer verstaan.

Verlamming
Een ander type neuroprothese is bedoeld om mensen met een dwarslaesie weer gedeeltelijk de controle over hun spieren terug te geven. De zenuwbanen in het ruggenmerg –die bij een dwarslaesie als het ware doorgesneden zijn– kunnen niet meer aaneengroeien. „Als zo'n zenuw in het ruggenmerg kapot is, kan het systeem verderop nog best intact zijn. Als het lukt om het intacte deel te prikkelen, is het misschien mogelijk mensen kunstmatig te laten opstaan en lopen”, zegt dr. W. L. C. Rutten, neurotechnoloog van de faculteit elektrotechniek aan de Universiteit Twente.

Het is niet zo moeilijk om een stroomstoot te geven aan een complete zenuwbundel, maar dat heeft weinig zin, weet hij. Het is de kunst om binnen de 'dikke' bundel –diameter 0,5 tot 1 millimeter– de juiste zenuwvezels te vinden. Zo'n bundel bevat tussen de 100 en 1000 vezels, elk slechts 0,01 millimeter dik.

Rutten bedacht een truc om een groot aantal elektroden tegelijk in de zenuwbundel te prikken: hij ontwierp een 'spijkerbed' met 128 naaldjes die gemonteerd zijn op een chip. De naaldjes hebben verschillende hoogtes, zodat ze op een groot aantal verschillende plaatsen zenuwvezels kunnen raken. Zo hoopt hij minstens tien of twintig verschillende zenuwen te kunnen aansturen.

De ontwikkeling van het 'spijkerbed' is een technisch hoogstandje: de naaldjes zijn tussen de 0,3 en 0,7 millimeter hoog en staan slechts 0,1 millimeter van elkaar vandaan. Rutten wil het apparaatje graag in de poot van een rat implanteren om te zien of het werkt, maar daarvoor moet hij nog een aantal technische problemen overwinnen.

Om toch een blijvend contact tussen zenuwen en elektronica te bereiken, heeft hij een tweede ijzer in het vuur, dat overeenkomst vertoont met het werk van Fromherz. Samen met het Nederlands Instituut voor Hersenonderzoek in Amsterdam probeert hij zenuwcellen te kweken, rechtstreeks op de elektroden zelf. Uiteindelijk is het de bedoeling de elektroden-met-zenuwen te implanteren, waarna ze moeten vastgroeien aan de gewone zenuwbaan. Door de verschillende elektroden te prikkelen, moet het dan lukken om de verlamde spier weer nauwkeurig te bedienen.

Een van de problemen waarmee Rutten kampt, is dat de groeiende zenuwcellen als een soort schimmelpluis de verschillende elektroden overdekken en daardoor kortsluiting veroorzaken. Met speciale 'lokstoffen' probeert hij de groei van de cellen beter te sturen.

Sciencefiction
Ook Fromherz heeft nog diverse moeilijkheden te overwinnen. Om het zichzelf gemakkelijk te maken, startte hij zijn onderzoek in 1985 met zenuwcellen uit bloedzuigers. De zenuwvezels uit deze dieren zijn fors uitgevallen: 0,05 tot 0,07 millimeter dik, en dus gemakkelijker te hanteren.

Fromherz, die leiding geeft aan de afdeling membraan- en neurofysica van het instituut in München, koos ervoor om de zenuwcellen niet zomaar een stroomstoot te geven, maar ze 'mild' te behandelen. „We besloten zelf de chips te bouwen. De hele afdeling natuurkunde van het instituut lachte ons uit. Het kostte inderdaad een jaar of vijf voor we de hele opstelling gereed hadden, maar toen werkte het ook binnen een week”.

In de proefopstelling plaatste Fromherz de zenuwcellen boven op twee 'stimulatiepunten' in een chip, ongeveer 0,01 millimeter uit elkaar. Een spanningsverschil tussen deze twee punten veroorzaakte een stroompje binnen de chip. Het systeem werkte: er bouwde zich een positieve lading op langs de wanden van de zenuwcel en de cel begon signalen te 'vuren'.

„Dan werkt het ook met hersencellen van de rat”, besloot Fromherz. Hij koos voor deze cellen omdat die sterk overeenkomen met menselijke hersencellen. Bovendien groeien zenuwcellen van een bloedzuiger in een kweek niet aan elkaar vast. Nadeel van de rattencellen is echter dat ze erg klein zijn, ongeveer 0,01 millimeter dik, en dus moeilijk te hanteren. Zijn team maakte een nieuw chip, waarbij de stimulatiepunten slechts 0,002 millimeter uiteenliggen. Eind vorig jaar slaagde hij erin signalen uit deze cellen te registreren met de chip. Het omgekeerde –stimuleren van zenuwsignalen vanuit de chip– is nog niet gelukt.

Inmiddels is Fromherz al bezig aan de volgende stap: als de hersencellen tegen elkaar aan groeien, wil hij een signaal vanuit het ene stimulatiepunt op de chip versturen via twee cellen naar een ander punt. Ook dat experiment werkt alleen nog maar op papier. Uiteindelijk wil hij toe naar een klein zenuwnetwerk, om daarmee te bestuderen hoe zenuwcellen in hersenen samenwerken. „Maar het duurt nog wel een jaar of tien voor we zover zijn”.

En dat kabeltje naar de harde schijf van de computer? „Het is niet verboden erover na te denken”, zucht hij, „maar het is absolute sciencefiction”.