Neurale implantaat bewaakt meerdere hersengebieden tegelijk

Hoe communiceren verschillende delen van de hersenen met elkaar tijdens leren en geheugenvorming? Een nieuwe studie door onderzoekers van de University of California San Diego zet een eerste stap in het beantwoorden van deze fundamentele neurowetenschappelijke vraag.

De studie werd mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een neuraal implantaat dat de activiteit van verschillende delen van de hersenen tegelijkertijd bewaakt, van het oppervlak tot diepe structuren - een primeur in het veld. Met behulp van deze nieuwe technologie laten de onderzoekers zien dat er verschillende patronen van tweerichtingscommunicatie optreden tussen twee hersengebieden waarvan bekend is dat ze een rol spelen bij leren en geheugenvorming - de hippocampus en de hersenschors. De onderzoekers laten ook zien dat deze verschillende communicatiepatronen verband houden met gebeurtenissen die scherpe golfrimpelingen worden genoemd en die plaatsvinden in de hippocampus tijdens slaap en rust.

“Ons neurale implantaat is veelzijdig; het kan op elk deel van de hersenen worden toegepast en kan andere corticale en subcorticale hersengebieden bestuderen, niet alleen de hippocampus en de hersenschors,” zei professor Duygu Kuzum.

Het neurale implantaat bestaat uit een dunne, transparante, flexibele polymeerstrip die is gefabriceerd met een reeks gouden elektroden ter grootte van een micrometer, waarop platina-nanodeeltjes zijn afgezet. Elke elektrode is via een micrometer dunne draad verbonden met een op maat gemaakte printplaat. Het kan elektrische signalen opnemen van afzonderlijke neuronen diep in de hersenen, zoals in de hippocampus, terwijl het grote gebieden zoals de hersenschors in beeld brengt.

Verschillende ontwerpkenmerken maken monitoring in meerdere regio's mogelijk. Een daarvan is dat deze sonde flexibel is. Wanneer het diep in de hersenen wordt ingebracht om een ​​gebied als de hippocampus te bewaken, kan het deel dat uit de hersenen steekt, worden gebogen om ruimte te maken voor een microscoop die dicht bij het oppervlak kan worden neergelaten om beeldvorming van de hersenschors aan de dezelfde tijd. Conventionele neurale sondes zijn rigide, dus ze zitten in de weg van de microscoop; als gevolg hiervan kunnen ze niet worden gebruikt om diepe hersenstructuren te bewaken terwijl het oppervlak van de hersenen wordt afgebeeld. En hoewel deze neurale sonde zacht en flexibel is, is hij ontworpen om knikken onder druk tijdens het inbrengen te weerstaan. Een ander belangrijk kenmerk is dat de sonde transparant is, waardoor de microscoop een duidelijk gezichtsveld heeft. Het genereert ook geen schaduwen of extra ruis tijdens het fotograferen.

De motivatie voor dit onderzoek was om tot de kern te komen van hoe verschillende cognitieve processen, zoals leren en geheugenvorming, plaatsvinden in de hersenen. Dergelijke processen omvatten communicatie tussen de hippocampus en de hersenschors. Maar hoe verloopt deze communicatie precies? En welk hersengebied initieert deze communicatie:de hippocampus of de hersenschors? Dit soort vragen zijn onbeantwoord gelaten omdat het erg moeilijk is om deze twee hersengebieden tegelijkertijd te bestuderen, zei Kuzum.

De onderzoekers gebruikten hun sonde om de activiteit van de hippocampus en de hersenschors bij transgene muizen te volgen. In het bijzonder volgden ze de activiteit voor, tijdens en na oscillaties die rimpelingen met scherpe golven worden genoemd in de hippocampus. Uit hun experimenten bleek dat de communicatie tussen de hippocampus en de hersenschors tweezijdig is:soms initieert de cortex de communicatie, soms is het de hippocampus. Dit is een belangrijke eerste aanwijzing voor het begrijpen van interregionale communicatie in de hersenen, aldus de onderzoekers.

"De tweezijdige communicatie die we hier rapporteerden, verschilt van het conventionele idee dat de cortex passief de informatie van de hippocampus ontvangt. In plaats daarvan is de cortex actief betrokken bij het coderen van informatie in de hersenen en kan het een leerzame rol spelen tijdens het consolideren en ophalen van geheugen,” zei Dr. Chi Ren, een van de onderzoekers.