Een speeltuin voor je brein

Zullen we ooit robots kunnen bouwen die net zo creatief kunnen denken als mensen? Om die vragen te beantwoorden bouwt jonge wetenschapper Adrian Negrean (25) in Amsterdam een nieuwe lasermicroscoop die minuscule patronen tussen breincellen kan onthullen. “Niemand weet wat we zullen gaan zien, want hersencellen zijn nooit op deze manier onderzocht.”

door

Adrian Negrean, een 25-jarige promovendus aan de Vrije Universiteit in Amsterdam (VU), leidt me rond in het lab waarin hij en zijn collega’s hersencellen proberen te begrijpen. Ik zie links en rechts gordijntjes die kleine donkere hoeken van het neurofysiologisch lab opdelen, met elk een eigen apparaat.

Op de begane grond bevindt zich een futuristisch aandoende kluis. Negrean laat me binnen: in de kluis staat een laser tussen een speeltuin aan glazen lenzen. Een beeldscherm laat zien wat er gebeurt als je de laser op een kweekje hersencellen richt: de cellen steken een lichtshow af wanneer ze met elkaar praten. Wat ze zeggen weten we niet.

Picture_with_me2

Adrian Negrean neemt met speciale microscopen hersencellen onder de loep. Vrije Universiteit

“En we zullen het nooit weten”, legt Negrean uit, “tenzij we de hersencel -het neuron- van binnen en van buiten begrijpen. Daarom wil ik kijken hoe een hersencel precies op een bepaald signaal reageert. Maar daarvoor moet je tegelijk een signaal in de cel kunnen stoppen, en aflezen hoe hij reageert.” Ondanks alle apparaten die in het VU-hersenlab staan, bestaat er nog geen machine die Negreans wens vervult – óf je bekijkt een cel, óf je bespeelt hem.

Gelukkig heeft de onderzoeksgroep waarin Negrean werkt en geleid door Huibert Mansvelder een beurs van 900.000 euro ontvangen van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Daarmee gaat de promovendus een speciale microscoop bouwen, met lasers en op maat gemaakte lenzen. Die microscoop kan, in tegenstelling tot de lasermicroscoop die al in de VU staat, wél tegelijk neuronen beïnvloeden en aflezen. De onderzoeker verwacht dat de microscoop volgend jaar de geheimen van zenuwcellen kan gaan onthullen.

Negrean schuwt er niet voor de lasermicroscoop zelf te ontwerpen: hij is eigenlijk een natuurkundige. Tijdens zijn bachelorstudie was hij niet eens in het bijzonder geïnteresseerd in het brein. “Maar ik kwam op een gegeven moment een cursus computerkundige neurowetenschappen tegen. Dat sprak me wel aan: hoe bouw je een machine die als een mens denkt? Het leek me wel een leuk vak om erbij te doen. Ik leerde toen dat je het brein -een van de beste supercomputers ter wereld- als een knap ingewikkeld schakelbord kon zien.”

“Toen ik over dat besef nadacht kreeg ik kippenvel”, zegt Negrean terwijl hij naar voren leunt. “Dit is waarom ik mijn werk doe. Want weet je, ik word enthousiast van dit idee: mijn brein maakt een plaatje van de werkelijkheid om hem heen, en dankzij mijn eerdere natuurkundestudie gebruikte het daarbij ook nog eens natuurkunde om deze werkelijkheid beter te begrijpen. Nu, tijdens deze cursus, ging mijn brein de natuurkunde weer gebruiken om te leren over zichzelf. Neuronen leren over neuronen. Via een gekke omweg.”

Spiral_orb_webs

Een spin heeft een piepklein brein dat enkel bestaat uit neuronen die met elkaar praten. Ze praten ook met de spieren van de spin, waarbij ze uiteindelijk een bijzonder precies loop- en spinpatroon doorgeven. Wikimedia Commons

“Ik ging ineens over belangrijke vragen nadenken”, vervolgt hij. “Wat maakt het brein zo creatief? Ik bedoel, zelfs een simpel brein, zoals dat van een spin, weet ontzettend complex gedrag te vertonen. Hij weeft prachtige webben zonder dat iemand hem dat leert! Gebruiken onze hersenen dan natuurkundige wetten waar we nog nooit van hebben gehoord? Misschien niet, maar om daar achter te komen moeten we begrijpen hoe de elektrische activiteit van een groep hersencellen precies in elkaar steekt.”

De onderzoeker noemt een voorbeeld. “Stel: je krijgt een idee. Op zo’n moment -dit weten we uit hersenonderzoek- waait er een golf elektrische activiteit door het brein. De vraag is dan: wat zijn de wetten waarmee deze elektrische activiteit zich tussen hersencellen beweegt? En kun je het patroon van zulke activiteit doorgronden en zelfs voorspellen? Om daar antwoord op te krijgen zit er niets anders op dan hersencellen in een goed experiment te meten.”

Precies voor dat doeleinde gaat Negrean het laserlab -zijn eigen speeltuin- bouwen. “Niemand weet wat we zullen gaan zien, want nog nooit heeft iemand een hersencel op deze manier onderzocht.”

Maar hoe worden hersencellen dan doorgaans onderzocht? “Met glaselektroden”, antwoordt Negrean. “Dat wordt al dertig jaar zo gedaan. En het werkt goed hoor, daar niet van; maar je mist een hoop. Want je bekijkt alleen maar het grote lichaam van de hersencel. En dat terwijl de belangrijkste elektrische geheimen waarschijnlijk liggen opgesloten in de uitlopers van de cel, de zogenaamde dendrieten en axonen."

Neuron_excitation

Een zenuwcel en zijn uitlopers: de dendrieten en axonen. De dendrieten zijn bezaaid met knoopjes, de synapsen – wat daar precies gebeurt en hoe het ons denken beïnvloedt is nog onontdekt terrein. Vrije Universiteit

Het leuke van lasers is volgens Negrean dat je nu juist kunt inzoomen op de dendrieten en axonen. “Het liefst wil ik een speciaal knobbeltje op de dendriet, de synaps, beter bekijken. Met een laser kan ik daar heel precies op scherpstellen. Dendrieten zijn belangrijk voor de cel, want daarmee beslist hij deels of hij elektrische signalen gaat doorgeven aan zijn buren, of niets doet.”

Ziet Negrean directe toepassingen door zijn onderzoek? “Het is moeilijk te zeggen”, zegt hij lachend. “Maar wanneer we eenmaal het brein begrijpen zal dat een revolutie zijn. Dat is het moment dat we weten hoe gedachten uit elektrische activiteit van neuronen ontstaan, en hoe herinneringen worden opgeslagen en geraadpleegd. Als je dat weet, denk ik dat alles mogelijk is wat je je kunt verbeelden.”

Hij stopt even met praten en komt toch nog even terug op de vraag. “Zoekmachines; die zie ik op de korte termijn nog wel verbeteren dankzij dit onderzoek. Ze zijn nog best onhandig vergeleken bij mensen. Je zoekt soms wel eens een boek waarvan je je de naam niet herinnert, maar je kent zo ongeveer de verhaallijn, heel vaagjes. Met Google kom je dan niet ver. Een echte boekenwurm, een bibliothecaris, die kan je dat beter vragen. Het brein van zo iemand zoekt razendsnel jouw boek op. Wanneer je begrijpt hoe de neuronen en het geheugen van een bibliothecaris werken, kun je met die kennis superieure zoekmachines bouwen.”

“Maar ik word nog het meest gelukkig van het idee dat ik informatie achterlaat voor toekomstige wetenschappers die over het brein willen leren. Ik hoop dat dat mijn nalatenschap wordt: kennis voor anderen.”

Zie ook:

Meer biotechnologie op Ditisbiotechnologie.nl