Verschillende technieken van hersenstimulatie hebben zich in de loop der tijd ontwikkeld, waarbij, afhankelijk van de methode, een aantal basisvariabelen belangrijk waren om de resultaten zo optimaal mogelijk te maken, namelijk: signaallengte, stroomfrequentie, intensiteit, doseringsschema en lokalisatie. Vooral wat betreft de lokalisatie is het streven door de jaren heen geweest om steeds specifieker en nauwkeuriger een bepaald gebied van de hersenen te stimuleren.
Bij de opsomming van de gebruikte technieken komt dit streven duidelijk naar voren:
- Electroconvulsive Therapy (ECT)
- Magnetic Seizure Therapy (MST)
- Transcranial Magnetic Stimulation (TMS)
- Vagus Nerve Stimulation (VNS)
- Epidural Cortical Stimulation
- Ablative Limbic System Surgery (Cingulotomy)
- Deep Brain Stimulation (DBS)
- Optogenetics
Vooral bij deze laatste methode wordt benaderd, of zelfs, hoe ongelofelijk dit ook mag klinken, gerealiseerd wat Francis Crick in 1979 al beschreef (Sci. Am. 303:48-55) als “de noodzaak om individuele componenten van de hersenen te manipuleren door een methode waarbij alle neuronen van één bepaald type geïnactiveerd kunnen worden, waarbij de anderen min of meer onveranderd blijven”.
Optogenetica
Optogenetica is een methode die nog in volle ontwikkeling is en die op dierexperimenteel niveau momenteel kan worden toegepast. Het vermogen om cellulair gedrag te controleren verloopt volgens 6 basisstappen:
- Het gebruik van licht-sensitive eiwitten (zie figuur). Dit kunnen natuurlijk voorkomende proteïnen zijn, zoals “opsins” (Channelrhodopsin-2 (ChR2), dat activeert en Halorhodopsin (NpHR), dat inhibeert) of chemisch gemodificeerde proteïnen.
- Het maken van een genetisch construct dat bestaat uit een gen voor het licht-sensitieve eiwit en een promotor, een genetisch element is dat de expressie van het gen reguleert.
- Om dit in specifieke delen van de hersenen te krijgen, wordt dit construct geïnjecteerd in een virus.
- Dit virus wordt vervolgens geïnjecteerd in de dierenhersenen, waardoor wijdverspreid neuronen worden geïnfecteerd. Hierdoor wordt het construct afgelezen, maar komt het “opsin” alleen tot expressie in een subgroep van cellen die de mogelijkheid hebben om de promotor te activeren.
- Hierna moet een optrode worden geplaatst in de hersenen van het dier. Deze optrode bestaat uit een “fibre-optic cable” en een elektrode. Door toedienen van laserlicht worden ionen-kanalen in speciefieke neuronen geopend.
- Daarna kunnen elektrofysiologsche en gedragsveranderingen worden geobserveerd.
Deze unieke methode is een enorme impact aan het maken in de neurowetenschappen, waarbij de toepassingen, natuurlijk ook buiten de psychiatrie, oneindig lijken te zijn (Annu. Rev. Neurosci.). Mogelijk is het al bijvoorbeeld bij draadwormen de motorneuron in de spierwand en de mechano-sensorische neuronactiviteit te controleren. In vliegen wordt de neuronale basis van de nociceptieve respons onderzocht. In de muis werd de het mogelijk de bijdrage te onderzoeken van de hypotalamische hypocretin (orexin) neuronen op het slaap-waak mechanisme. Ook kon in dit dierenmodel mechanismes bekeken worden betreffende dopamine gereguleerde verslaving, de mogelijkheid voor corticale interventie bij depressie en de invloed van de amygdala op angst. In de rat wordt optogenetica gebruikt voor het moduleren van cardiovasculaire functies, ademhaling en bloeddruk. Bij primaten is optogenetsche modulatie in ontwikkeling door toepassing op de corticale neuronen van makaken, maar gedragsveranderingen zijn nog niet geobserveerd.
De komende tijd zal verder onderzoek plaatsvinden om de beschikbare optogenetische instrumenten uit te breiden en te optimaliseren. Het belang van deze methode lijkt echter niet te stuiten en het is dan ook terecht dat Nature het als “Method of the Year 2010” omschreef (zie deze video voor een zeer toegankelijke, korte samenvatting van de techniek).
