Implanteerbare geheugenuitbreiding voor menselijk brein
Los Angeles, Californië (VS)
Dr. Theodore Berger, biomedisch engineer op
de University of South California, test een implantaat voor de
versterking van het menselijk geheugen. Het implantaat imiteert het
soort signaalverwerking dat optreedt als neuronen nieuwe lange-termijn
herinneringen vastleggen.
"Pas als je je geheugen begint te verliezen, al zijn het maar stukjes en beetjes, besef je dat geheugen bepalend is voor ons leven. Leven zonder geheugen is geen leven", zei ooit cineast Luis Buñuel. Jaarlijks ervaren miljoenen mensen de pijn van een falend geheugen. dat kan bijvoorbeeld komen door hersenbeschadiging, zoals bij boksers, door een beroerte of door Alzheimer. Zelfs normale veroudering van het brein kan leiden tot geheugenverlies..
De werking van het revolutionaire implantaat is al aangetoond bij ratten en apen en wordt nu getest door menselijke epilepsie-patiënten: een belangrijke stap, omdat het de weg kan openen naar een heel nieuw terrein van geheugen-protheses. Maar om zover te komen moest het team eerst de geheugencode ontcijferen.
Geheugen ontcijferen
AL vanaf het eerste begin wist Berger dat hij zou worden geconfronteerd met een kolossaal probleem: "We waren niet op zoek naar een match voor alles wat het brein doet bij het verwerken van geheugen, maar we wilden op zijn minst een fatsoenlijke imitatie vinden. natuurlijk vroegen mensen of we er een model van konden maken en of dat kon worden ondergebracht in een apparaatje. En kan dat apparaatje werken in elk brein? Sommigen denken dat ik niet goed snik ben."
Maar het team had een goed startpunt. De hippocampus, een gebied diep in de hersenen, is de kritische poortwachter die herinneringen transformeert van korte naar lange termijn. Met grote vastberadenheid probeerde Berger de afgelopen 35 jaar te begrijpen hoe de neuronen in de hippocampus deze complexe taak uitvoeren. "In essentie is een herinnering een reeks elektrische impulsen, die worden gegenereerd door een gegeven aantal neuronen", zegt Berger. "Dat is belangrijk want het suggereert dat we het kunnen reduceren tot wiskundige vergelijkingen die we kunnen invoeren in een computer".
En Berger staat niet alleen in zijn zoektocht. Door te luisteren naar de conversatie van neuronen bij dieren, hebben teams van neurowetenschappers een begin gemaakt met het ontcijferen van de informatiestroom binnen de hippocampus. Sleutel tot dit proces is een sterk elektrisch signaal dat loopt van CA3, het ‘input'-deel van de hippocampus, naar CA1, de output. "Bij mensen met geheugenproblemen is dat signaal aangetast," zegt berger, "dus als we het kunnen herstellen zijn we misschien in staat om herinneringen terug te halen of zelfs te versterken".
Kloof overbruggen
Toch bleek de geheugencode van het brein lastig te kraken. Het probleem licht in het niet-lineaire karakter van neurale netwerken: signalen bevatten veel ruis en overlappen elkaar voortdurend in tijd, wat er toe leidt dat sommige inputs worden onderdrukt en andere juist geaccentueerd. In een netwerk van honderdduizenden neuronen kunnen kleine veranderingen enorm worden versterkt en leiden tot totaal verschillende outputs. "Het is een chaotische black box", vindt Berger. Maar dank zij moderne computertechnieken heeft hij nu wellicht een grove oplossing in handen. Zijn aanpak? Gebruik de wiskundige theorema's om een chip te programmeren en zie of het brein de chip accepteert als een vervangende - of extra - geheugenmodule.Berger en zijn team begonnen met een simpele taak, met ratten. Ze trainden de dieren om een of twee hendels te bedienen om toegang te krijgen tot een smakelijk hapje. Daarbij registreerden ze de series CA3-naar-CA1 impulsen in de hippocampus, terwijl de ratten leerden om de juiste hendel te kiezen. Het team legde nauwkeurig de manier vast waarop de signalen werden getransformeerd terwijl de activiteit in lange-termijn herinnering werd omgezet. Die informatie - de ‘elektrische essentie' van de herinnering - werd gebruikt om een externe geheugenchip te programmeren. Vervolgens injecteerden ze de dieren met een drug die het tijdelijk onmogelijk maakt om toegang te krijgen tot het lange-termijn geheugen, zodat de dieren vergaten welke hendel tot een beloning leidde. Via in de hippocampus geïmplanteerde micro-elektroden stuurden de onderzoekers pulsen met hun geheugencode naar CA1, het output-gebied. Het resultaat was verbluffend - met de externe geheugenmodule wisten de ratten de juiste hendel weer te vinden.
Apen
Bemoedigd door de resultaten testte Berger daarna zijn geheugenimplantaat in apen, deze keer gefocust op de zogeheten prefrontale cortex, een hersengebied dat herinneringen ontvangt en moduleert, die zijn gecodeerd door de hippocampus. Na het plaatsen van elektroden in de apenhersenen toonde het team de dieren een reeks semi-herhaalde afbeeldingen terwijl tegelijkertijd de activiteit van de prefrontale cortex werd geregistreerd als de apen een afbeelding herkenden die ze eerder hadden gezien. Vervolgens werd met een zware dosis cocaïne dit deel van de hersenen uitgeschakeld, zodat de apen zich niets konden herinneren. Ook hier konden de geheugenprestaties door stimulering met de geheugencode significant worden verbeterd.Een jaar later beoordeelde het team het geheugenimplantaat verder, door te demonstreren dat het ook geheugenbeperkingen kon herstellen die waren veroorzaakt door een niet-functionerende hippocampus in het apenbrein.
Vrijwilligers
Vorig jaar begon het team voorzichtig met het testen van hun prototype op menselijke vrijwilligers. Vanwege de risico's bij hersenchirurgie rekruteerde het team 12 epilepsiepatiënten waarbij al elektroden waren geïmplanteerd om de oorzaak van hun aanvallen op te sporen. Herhaaldelijke aanvallen beschadigen geleidelijk kritieke delen van de hippocampus, die nodig zijn voor het vormen van lange-termijn herinneringen, aldus Berger. Dus als het implantaat werkt zouden deze patiënten er ook van kunnen profiteren.Het team vroeg de vrijwilligers om een serie plaatjes te bekijken en 90 seconde later proberen te herinneren welke ze hadden gezien. Terwijl de deelnemers leerden, registreerde het team de elektrische patronen in CA3 en CA1. Met deze data maakte het team een algoritme - een specifiek menselijke geheugencode - die het activiteitenpatroon kan voorspellen in CA1-cellen dat het gevolg is van CA3-input. Vergeleken met de echte patronen in het brein, genereerde de algoritme in ruwweg 80% van de gevallen correcte voorspellingen. "Dat is niet perfect." zegt Berger, "maar een mooi begin".
"We hebben het patroon al gebruikt in de hersenen van een vrouw met epilepsie", zegt dr. Dong Song, een associate professor die samenwerkt met Berger. Maar hij blijft terughoudend over het resultaat, dat volgens hem veelbelovend is, maar het is nog te vroeg om er uitspraken over te doen.
Extatisch
Songs voorzichtigheid is noodzakelijk. In tegenstelling tot de motorische cortex, met een duidelijk gestructureerde representatie van verschillende lichaamsdelen, is de hippocampus niet op een voor de hand liggende manier georganiseerd. Het is moeilijk te begrijpen waarom het stimuleren van input-locaties kan leiden tot voorspelbare resultaten, zegt dr. Thoman McHugh, neurowetenschapper op het Riken Brain Science Institute. Het is ook moeilijk te zeggen of zo'n implantaat het geheugen kan redden van mensen met schade aan de output van de hippocampus. "Dat gezegd hebbende, zijn de data overtuigend", geeft McHugh toe.Berger is daarentegen bijna extatisch: "Ik had nooit verwacht dat ik zou meemaken dat het op mensen zou worden toegepast". Maar het werk is nog lang niet klaar. Binnen de komende jaren wil berger uitzoeken of de chip kan helpen bij het bouwen van lange-termijn herinneringen in diverse uiteenlopende situaties. Want uiteindelijk was de algoritme gebaseerd op de registratie van slechts één specifieke taak. Wat als de zogenoemde geheugencode niet kan worden gegenereerd, maar varieert op basis van het soort input? Berger erkent dat dit mogelijk is, maar blijft hoopvol. "Ik verwacht dat we een model vinden dat aardig passend is voor de meeste omstandigheden. Want uiteindelijk wordt het brein beperkt door zijn eigen biofysica. Er is maar een eindig aantal mogelijkheden waarop het elektrische signaal in de hippocampus kan worden verwerkt."
"Uiteindelijk willen we de kwaliteit van leven verbeteren voor mensen met ernstige geheugenproblemen. Als ik ze hun geheugenfuncties al half zo goed als bij de meeste andere mensen terug kan geven, spring ik een gat in de lucht. En de meeste patiënten ook."
Theodore Berger
