Zhenyu wil weten hoe onze hersenen bewegingen aansturen

Fascinerend vond neurowetenschapper Zhenyu Gao het, toen hij als student voor het eerst hersencellen met elkaar zag communiceren via elektrische signalen. Twintig jaar later is zijn fascinatie voor de werking van het brein alleen maar groter geworden. ‘Hoe dieper je in het veld komt, hoe meer je je realiseert dat alles veel complexer is dan hoe het in de studieboeken staat. Ken je de uitspraak The more you know, the more you realize you don’t know? Die is erg van toepassing op de neurowetenschappen en mijn carrière. Er zijn nog zoveel gaten in de kennis over ons brein. Dat houdt het werk als wetenschapper spannend en maakt dat elke nieuwe ontdekking iets toevoegt.’

‘Er zijn nog zoveel gaten in de kennis over ons brein’ 

Zhenyu richt zich op een specifiek stukje van de neurowetenschappen. Hij wil weten hoe de hersenen bewegingen aansturen. Want zelfs voor alledaagse bewegingen die je ogenschijnlijk zonder nadenken maakt, moeten onze hersenen stevig aan het werk. Een kop koffie van tafel pakken of een stoep opstappen: er komt een hoop rekenwerk aan te pas.

Twee hersengebieden zijn voornamelijk belangrijk voor het uitvoeren van bewegingen. De eerste is de motorcortex, een stuk hersenschors aan de zijkanten van het hoofd. De motorcortex zorgt voor de planning en het initiëren van beweging. Mensen met schade aan de motorcortex, bijvoorbeeld door een hersenbloeding, hebben moeite om aan een beweging te beginnen.

Het tweede belangrijke onderdeel is het cerebellum, ofwel de kleine hersenen. Dat is een klein, maar krachtig gebied aan de onderkant van de hersenen. Het cerebellum beslaat maar 20 procent van breinvolume, maar bevat 80 procent van alle hersencellen. Het cerebellum is belangrijk voor de finetuning van beweging. Mensen met schade aan de kleine hersenen kunnen wel bewegen, maar niet heel precies.

Verbonden hersengebieden

Maar zo overzichtelijk als het in de studieboeken staat is het niet, ontdekten Zhenyu en zijn team. ‘We weten inderdaad dat de motorcortex en de kleine hersenen belangrijk zijn voor beweging. Ze hebben allebei een eigen functie. Maar wij hebben ontdekt dat ze niet in isolatie werken, het zijn geen losse legoblokken. Er lopen allerlei verbindingen tussen het cerebellum en de motorcortex: ze communiceren constant met elkaar.’

De vraag die Zhenyu wil beantwoorden is: hoe werken de motorcortex en de kleine hersenen precies samen om een beweging te plannen en uit te voeren? ‘We weten dat ze met elkaar verbonden zijn, maar we weten nog niet welke informatie ze over en weer naar elkaar sturen. En hoe activiteit in de ene regio de andere regio beïnvloedt.’

Bij zijn zoektocht naar het antwoord op zijn vragen, profiteert Zhenyu van de technologische vooruitgang die de neurowetenschappen heeft doorgemaakt sinds hij student was. ‘Destijds gebruikten we één elektrode om de elektrische activiteit van één enkele hersencel van een muis te meten. Die actiepotentialen, zoals wij ze noemen, is de taal waarin neuronen met elkaar praten.’

Een elektrode is een soort dunne naald die heel precies in een bepaald deel van de hersenen kan worden gestoken. De elektrode is zo klein dat hij de elektrische signalen kan meten die een individuele hersencel afgeeft als de muis een taak uitvoert. ‘Maar het brein bevat miljarden cellen, dus de activiteit van een cel vertelt je niet zoveel. Inmiddels hebben we elektrodes die de activiteit van niet één, maar duizenden hersencellen tegelijk kan meten. Daarmee kunnen we voor het eerst de activiteit van een grote groep hersencellen bestuderen.’

‘Met deze elektrode kunnen we voor het eerst de activiteit van een grote groep hersencellen bestuderen’

Zhenyu trekt een lade van zijn bureau open en haalt er zo’n moderne elektrode uit. De naald glinstert en is zo dun dat hij bijna niet zichtbaar is met het blote oog. Hij geeft een voorbeeld van een experiment waarbij hij deze technologie gebruikt. ‘We kunnen een muis aanleren om een bepaalde beweging te maken. Bijvoorbeeld met zijn poot een druppel water pakken en naar zijn mond brengen. Terwijl de muis deze taak uitvoert, meten we met de elektrodes wat er gebeurt in het cerebellum en de motorcortex. Zo proberen we een geïntegreerd beeld te krijgen van hoe hersenregio’s samenwerken.’

De verbindingen tussen hersendelen kan Zhenyu zelfs letterlijk zichtbaar maken. ‘We kunnen hersencellen genetisch zo bewerken dat ze oplichten als ze actief worden. Via een raampje in de schedel van de muis, kunnen we onder de microscoop zien hoe verschillende hersencellen samenwerken aan een beweging. Ik prijs mezelf gelukkig dat we in een fase zijn gekomen waar al deze technieken beschikbaar zijn.’ Stap voor stap en experiment voor experiment hoopt Zhenyu zo de kennislacunes over hoe hersendelen samenwerken bij beweging op te vullen.

Tegelijkertijd werkt de neurowetenschapper ook al aan toepassing van die kennis in de praktijk. Daarvoor kan hij putten uit de inzichten uit het laboratorium, legt hij uit. ‘De basismechanismen die hersenen gebruiken om beweging aan te sturen, lijken opmerkelijk veel op elkaar bij alle zoogdieren, inclusief mensen. Dus door te bestuderen hoe beweging werkt in de hersenen van muizen, kunnen we ook inzicht krijgen in hoe de hersenen van mensen communiceren, én wat er fout gaat bij neurologische ziekten. De geavanceerde technologieën die we gebruiken en ontwikkelen zijn niet alleen veelbelovend voor onderzoek, maar ook voor het transformeren van de zorg van de toekomst.’

Bewegen en meten tijdens operatie

Zo heeft Zhenyu naast zijn baan bij de afdeling Neurowetenschappen een tweede aanstelling bij de afdeling Neurochirurgie van het Erasmus MC. ‘We ontwikkelen samen een manier om metingen te doen tijdens operaties, bijvoorbeeld om een hersentumor te verwijderen. De chirurgen willen weten welk deel van de hersenen ziek is en welk deel gezond is. Maar om te weten of iets kunt wegsnijden, moet je weten wat de functie ervan is. Nu doen chirurgen dat door verschillende delen van de hersenen te stimuleren en te kijken hoe het lichaam daarop reageert. Maar het kan zijn dat we daarmee iets missen. We willen een elektrode maken, vergelijkbaar met die die we voor muizen gebruiken. Patiënten zijn vaak wakker tijdens deze hersenoperatie, dus het idee is dat we ze vragen om een beweging te maken en tegelijkertijd meten welke hersendelen daarbij betrokken zijn.’

Ook voor mensen met een verlamming of een andere bewegingsstoornis zou meer kennis over de hersenen een uitkomst zijn. Er wordt wereldwijd namelijk gewerkt aan zogeheten brein-computer interfaces. Dat is een technologie waarbij hersensignalen worden gemeten, gedigitaliseerd en door een computer worden omgezet in een actie. Voor iemand met een verlamming zou zo’n brein-computer interface kunnen helpen om weer te bewegen. Simpel gezegd: een implantaat in de hersenen vangt de elektrische signalen op als iemand over een beweging nadenkt. Dat signaal wordt uitgelezen en omgezet in een impuls die naar de spieren wordt gestuurd.

Voor iemand met een verlamming zou zo’n brein-computer interface kunnen helpen om weer te bewegen

Zhenyu volgt de ontwikkelingen met belangstelling. ‘Het is een kwestie van techniek: hoe kun je de signalen meten, interpreteren, versturen en omzetten in de juiste opdrachten voor het lichaam? En hoe krijg je dat veilig werkend in de patiënt? Dat is een technologisch hoogstandje. Als we beter begrijpen wat de functie is van specifieke hersenregio’s bij het aansturen van beweging, kan dat heel nuttig zijn voor de volgende generatie brein-machine interfaces. Er zijn al een aantal succesvolle voorbeelden, heel futuristisch is het niet. Ik denk dat we steeds dichter bij het punt komen waarop we iemand met een verlamming weer kunnen laten bewegen.’