Onderzoekers van de University of Georgia hebben een nieuwe lichtbladmicroscoop ontwikkeld waarmee de verspreiding van epileptische aanvallen in de hersenen voor het eerst snel en gedetailleerd in drie dimensies kan worden gevolgd. De techniek maakt het mogelijk om de activiteit van grote hersengebieden vrijwel in real time vast te leggen. Volgens de onderzoekers kan deze methode bijdragen aan een beter begrip van de mechanismen achter epilepsie en op termijn de ontwikkeling van effectievere behandelingen ondersteunen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Biomedical Optics Express.
Epileptische aanvallen verspreiden zich vaak binnen enkele seconden door de hersenen. Daardoor is het lastig om dit proces met bestaande beeldvormingstechnieken volledig vast te leggen. Tot nu toe maakten onderzoekers bij zebravislarven, een veelgebruikt model voor neurowetenschappelijk onderzoek, voornamelijk gebruik van tweedimensionale beelden.
Vier 3D-beelden per seconde
De nieuwe lichtbladmicroscoop brengt daar verandering in. Het systeem kan hersenvolumes tot 499 × 499 × 150 kubieke micrometer vastleggen met een snelheid van vier volledige 3D-beelden per seconde en een zeer hoge resolutie. Daarnaast corrigeert de microscoop automatisch optische afwijkingen die de beeldkwaliteit kunnen beïnvloeden. Volgens onderzoeksleider Peter Kner maakt deze combinatie van snelheid en beeldkwaliteit het mogelijk om de verspreiding van epileptische activiteit door het zenuwstelsel nauwkeuriger te volgen dan voorheen.
Het onderzoek bouwt voort op eerder ontwikkelde lichtbladmicroscopie, waarbij een dun lichtvlak het preparaat vanaf de zijkant belicht. Deze techniek vermindert storend achtergrondlicht en is sneller en minder belastend voor levende weefsels dan bijvoorbeeld confocale microscopie. Een eerdere versie van de microscoop beschikte al over adaptieve optica om beeldvervorming automatisch te corrigeren, maar had ongeveer 1,75 seconde nodig om één volledig 3D-beeld vast te leggen. Dat bleek te langzaam om snel veranderende hersenactiviteit tijdens een epileptische aanval goed te registreren.
Om de snelheid te verhogen ontwikkelden de onderzoekers een systeem met een elektrisch instelbare lens die het focuspunt razendsnel door het preparaat beweegt. Daarnaast synchroniseerden zij de optische correcties met de camera en de scansystemen van de microscoop. Hierdoor kon de beeldsnelheid aanzienlijk worden verhoogd zonder dat dit ten koste ging van de resolutie.
Verspreiding van aanvallen zichtbaar
Met de nieuwe microscoop volgden de onderzoekers geïnduceerde epileptische aanvallen in zebravislarven gedurende 2,5 minuut. In die periode werden 600 opeenvolgende 3D-beelden vastgelegd, ongeveer zeven keer sneller dan met de eerdere opstelling mogelijk was. De beelden lieten zien dat de epileptische activiteit begon in het achterste deel van de hersenen en zich vervolgens uitbreidde richting het optisch tectum, een hersengebied dat betrokken is bij de verwerking van visuele informatie. Daarna nam de activiteit geleidelijk af over een periode van tientallen seconden.
Het oorspronkelijke doel van het onderzoek was om beter te begrijpen hoe het gad1b-gen invloed heeft op het ontstaan en de verspreiding van epileptische aanvallen. Dit gen speelt een belangrijke rol bij de regulatie van de neurotransmitter GABA, die essentieel is voor de ontwikkeling en communicatie van hersencellen.
Meer inzicht in hersenaandoeningen
De onderzoekers willen de nieuwe beeldvormingstechniek nu toepassen op meer zebravismodellen, waaronder dieren waarin het gad1b-gen ontbreekt. Daarnaast werken zij aan een verdere verfijning van de techniek, zodat optische afwijkingen niet alleen in de microscoop zelf, maar ook in het onderzochte hersenweefsel kunnen worden gecorrigeerd.
Volgens de onderzoekers kan de combinatie van snelle 3D-beeldvorming en hoge resolutie nieuwe inzichten opleveren in de manier waarop epileptische aanvallen ontstaan en zich door de hersenen verspreiden. Die kennis kan bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe behandelingen voor epilepsie en mogelijk ook voor andere neurologische aandoeningen waarbij veranderingen in hersennetwerken een belangrijke rol spelen.
Mini-breinen
Onderzoekers van het Paris Brain Institute hebben eerder dit jaar met behulp van zogenoemde mozaïek-organoïden, in het laboratorium gekweekte mini-breinen, nieuwe inzichten verkregen in focale corticale dysplasie type II (FCDII), een hersenafwijking die vaak leidt tot therapieresistente epilepsie bij kinderen. Het onderzoek toont aan dat een mutatie in het DEPDC5-gen op zichzelf onvoldoende is om de aandoening te veroorzaken. Pas wanneer een tweede genetische mutatie optreedt, ontstaan de kenmerkende afwijkingen. De onderzoekers zagen onder meer vergrote zenuwcellen, ontregeling van de mTOR-signaalroute en verhoogde elektrische activiteit.
Daarnaast bleek dat de ernst van de aandoening samenhangt met het aantal hersencellen dat de tweede mutatie draagt. De resultaten bieden nieuwe aanknopingspunten voor gerichte behandelingen en ondersteunen de ontwikkeling van gepersonaliseerde therapieën, waarbij mini-breinen van individuele patiënten kunnen worden gebruikt om behandelingen vooraf te testen.
