Doorbraak in de neurowetenschap: nieuwe technologie van MIT maakt het mogelijk om met behulp van geluid en licht dieper dan ooit in levende hersenen te kijken

Stel je voor dat je millimeters diep in de hersenen kunt kijken – zonder weefsel te beschadigen, kleurstoffen toe te voegen of DNA te veranderen. Klinkt als sciencefiction? Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben dit mogelijk gemaakt.

Een team van ingenieurs en neurobiologen heeft een revolutionaire microscoop ontwikkeld die de activiteit van levende neuronen tot op een diepte kan visualiseren die vijf keer groter is dan met bestaande methoden. En dat zonder een druppel contrastmiddel en zonder genetische manipulatie. De sleutel tot het succes ligt in een onverwachte combinatie van licht en geluid.

Dieper dan ooit: hoe licht in de hersenen wordt omgezet in geluid

De nieuwe technologie heeft de naam “Multiphoton-In and Acoustic-Out” gekregen, of eenvoudiger gezegd: “licht naar binnen, geluid naar buiten”. De methode is eenvoudig, maar geniaal:

Er worden ultrakorte infraroodlichtpulsen met een golflengte die dieper in het weefsel doordringt zonder te verstrooien, naar de hersenen gestuurd.
Wanneer dit licht door moleculen in de cellen wordt geabsorbeerd, veroorzaakt het een microscopische opwarming die zo klein is dat het weefsel niet wordt beschadigd.
Deze minuscule opwarming leidt tot een onmiddellijke uitzetting van de cel, als een mini-explosie.
De uitzetting creëert een zwakke ultrasone golf die wordt opgevangen door een uiterst gevoelige sensor, een soort ‘microfoon voor de hersenen’.
Deze geluidssignalen worden omgezet in zeer nauwkeurige 3D-beelden van de moleculaire activiteit.

Dit proces wordt drie-foton foto-akoestische beeldvorming genoemd en maakt het mogelijk om moleculen die al in de cellen aanwezig zijn te ‘zien’ zonder enige modificatie.

Een venster op het metabolisme: een molecuul dat zonder licht oplicht

Een van de belangrijkste ‘helden’ van de nieuwe technologie is het molecuul NAD(P)H, dat van nature deelneemt aan de energiehuishouding in cellen. Het hoopt zich op in actieve neuronen en dient als indicator voor hun levensactiviteit.

Omdat NAD(P)H in elke cel aanwezig is, hoeft het niet te worden ‘verlicht’ – het wordt een natuurlijke biomarker. Met behulp hiervan konden wetenschappers de metabolische activiteit in realtime observeren:

In organoïden van de hersenen (mini-hersenen uit stamcellen) met een dikte van 1,1 mm.
In coupes van muizenhersenen met een dikte van 0,7 mm.

“We stootten letterlijk tegen het glas aan de andere kant”, zegt hoofdonderzoeker David Lee. “Onze monsters waren gewoon niet dik genoeg om de werkelijke grenzen van de technologie te testen.” Volgens zijn schattingen kan het systeem een diepte van tot 2 millimeter in een levende hersenen bereiken – een eerder onbereikbare grens voor niet-invasieve methoden.

Eén scan – duizenden gegevens: de technologie van de toekomst in één apparaat

De nieuwheid van de aanpak zit niet alleen in de penetratiediepte, maar ook in de multifunctionaliteit. De nieuwe microscoop combineert verschillende geavanceerde technieken:

Driefotonmicroscopie – voor penetratie in diepe lagen van de hersenen.
Foto-akoestische detectie – zet moleculaire activiteit om in geluid.
Contrastvrije visualisatie – houdt weefsels intact.
Derde harmonische generatie (THG) – maakt het mogelijk om celstructuren zonder kleurstoffen te zien.
Compatibiliteit met calciumindicatoren (bijvoorbeeld GCaMP) – voor het volgen van neuronale activiteit.

“We kunnen de metabolische activiteit, structurele details en elektrische activiteit van neuronen in één keer vastleggen”, legt medeauteur van het onderzoek Tatsuya Osaki uit. “Dit is niet zomaar een verbetering van een oude technologie. Het is een nieuw platform voor het bestuderen van de hersenen.”

Van het laboratorium naar de operatiekamer: de weg naar de kliniek

Het team werkt momenteel aan de aanpassing van het systeem voor gebruik op levende dieren. De belangrijkste uitdaging is om het apparaat unidirectioneel te maken: het licht en de sensor moeten zich aan één kant van het weefsel bevinden, zodat het bijvoorbeeld tijdens neurochirurgie kan worden gebruikt.

Als dat lukt, kan de technologie een revolutie in de neurochirurgie betekenen, omdat chirurgen dan in realtime kunnen zien welke delen van de hersenen actief zijn en welke beschadigd kunnen raken.

Interessant is dat dezelfde technologie al in de geneeskunde wordt toegepast, maar dan op een ander gebied. David Lee, projectleider via de start-up Precision Healing Inc., gebruikt NAD(P)H-visualisatie voor het monitoren van wondgenezing. Succesvolle ervaringen bij chronische zweren en brandwonden hebben aangetoond dat metabolische activiteit een krachtige indicator is voor weefselherstel.

De overstap naar de hersenen lijkt nu een logische volgende stap: van de huid naar het bewustzijn.

Op het snijvlak van wetenschappen ontstaan doorbraken

Het project wordt ondersteund door de National Institutes of Health (NIH) en het Simonov Social Brain Center, wat het interdisciplinaire karakter ervan onderstreept. Dit is niet alleen fysica, niet alleen biologie – het is een synergie van wetenschap, techniek en geneeskunde.

Technologie die ooit onmogelijk leek, bestaat nu. En het toont niet alleen de hersenen – het luistert er ook naar van binnenuit.

Wat nu?

Wetenschappers plannen al de eerste tests op levende dieren. En in de toekomst is misschien realtime visualisatie van de menselijke hersenen mogelijk, zonder operaties en zonder risico’s. Dit is niet alleen een stap vooruit. Dit is een nieuwe visie voor de wetenschap.