Elektroden meten embryonale hersenontwikkeling

Een embryo van de Afrikaanse klauwkikker (Xenopus laevis). Foto: Juan J. Segura Sampedro

Door elektroden aan te brengen op het nog platte neurale plaatje van een kikkerembryo, lukt het onderzoekers hersenactiviteit te meten vanaf de vroegste stadia van ontwikkeling.

Het is onderzoekers voor het eerst gelukt om uiterst flexibele elektroden al tijdens de embryonale ontwikkeling in het brein van een kikker te implanteren, zonder de normale hersenontwikkeling te verstoren. Daardoor kunnen ze nu continu hersenactiviteit meten van individuele zenuwcellen in een zich ontwikkelend dier. In hun studie van 11 juni in Nature stellen bio-ingenieurs van Harvard University dat hun bevindingen de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie bio-elektronica die zich aanpast aan het brein. De elektroden, gemaakt van een ultradun netwerk van zacht en rekbaar materiaal, worden aangebracht op het platte neurale plaatje van een embryo, nog voordat dit zich opvouwt tot het buisvormige centrale zenuwstelsel. Tijdens de organogenese vervormen de elektroden mee met het opvouwende weefsel en verspreiden ze zich door het ontwikkelende brein, waardoor ze volledig opgaan in de driedimensionale hersenstructuur.

‘Door gebruik te maken van het natuurlijke 2D-naar-3D-groeiproces van het brein, ontstaat een stabiele, geïntegreerde interface zonder dat implantatie schade veroorzaakt,’ schrijven de auteurs. Ze vonden geen aanwijzingen voor afwijkingen bij de embryo’s met implantaat: de dieren ontwikkelden zich normaal, vertoonden geen opvallende genactiviteit en gedroegen zich net als controles.

Schade
Dat is belangrijk, want hersenimplantaten veroorzaken doorgaans schade aan zenuwweefsel, hoe klein of zacht ze ook zijn. Vooral in zich snel ontwikkelende hersenen, zoals bij embryo’s, is dat een probleem. Tot nu toe was het niet mogelijk om in levende dieren hersenactiviteit continu te volgen vanaf de embryonale fase. Met deze techniek kan dat nu wel: de onderzoekers maten hersensignalen in klauwkikkerembryo’s (Xenopus laevis) met een precisie van enkele milliseconden, zowel van individuele neuronen als van netwerken.

Amputatie
Vervolgens testten ze de methode op embryo’s van de axolotl, een salamander die bekendstaat om zijn regeneratief vermogen. Ze zagen dat hersenactiviteit veranderde na amputatie van de staart, wat duidt op een neurale reactie op verwonding elders in het lichaam. In een vervolgstap stimuleerden ze dezelfde hersengebieden via de elektroden. Dit versnelde de staartregeneratie, wat suggereert dat de hersenen actief bijdragen aan het herstelproces.

Compatibel
De onderzoekers verwachten dat hun aanpak ook bruikbaar is bij zoogdieren. In eerste experimenten bleken de elektroden compatibel met muizenembryo’s en pasgeboren ratten. Omdat de basisprincipes van hersenontwikkeling bij gewervelden grotendeels overeenkomen, denken de auteurs dat het platform in vervolgstudies mogelijk toepasbaar is in andere zoogdiermodellen – bijvoorbeeld voor fundamenteel onderzoek naar menselijke ontwikkelingsstoornissen.