Alles wat ons mens maakt, gedachtes, herinneringen, gevoelens, religieuze ervaringen en psychische aandoeningen hebben hun oorsprong in het brein. Als je in detail zou kunnen kijken naar hoe elk van deze ervaringen en processen tot stand komen dan zou in je een flits neuronen zien oplichten en uitdoven, en elk proces zou z’n eigen specifieke patroon en ritme vertonen.

Het brein is de meest complexe structuur van het lichaam; miljarden neuronen zijn met elkaar verbonden en op de milliseconde nauwkeurig worden ze geactiveerd en gedeactiveerd. De enorme complexiteit maakt het vreselijk moeilijk om het brein te onderzoeken waardoor we weinig weten over hoe gedachtes en herinneringen worden gevormd en hoe een psychische aandoening als schizofrenie zich in het brein manifesteert.

Een belangrijk deel van het basale hersenonderzoek vindt plaats door bij muizen en ratten elektroden in de hersenen te steken en te kijken hoe ze daar op reageren. Deze methode is echter zeer grof; er is bijvoorbeeld weinig controle over welke cellen rondom de elektrode worden geactiveerd. Decennia lang wordt er al gezocht naar een meer nauwkeurige methode. Dat de oplossing al meer dan 30 jaar geleden zo goed als voor het oprapen lag realiseerden neuronwetenschappers zich pas een aantal jaar geleden.

Aan het begin van de jaren 70 werden eiwitten in micro-organismen ontdekt die geactiveerd kunnen worden door licht. Deze eiwitten pompen onder invloed van licht bijvoorbeeld natrium de cel in. Gedurende 30 jaar onderzoek werden verschillende soorten van dit soort pompen geïdentificeerd. Echter de interesse naar deze eiwitten explodeerde na 2005 toen Karl Deisseroth van Stanford University de connectie maakte tussen deze ionen pompen en de manier waarop neuronen worden geactiveerd.

Deisseroth nam in 2004 een sprong in het diepe door een gedeelte van zijn onderzoeksgroep een op het eerste gezicht absurd experiment te laten uitvoeren. Hij dacht dat als hij zo’n lichtgevoelige pomp in een neuron kon introduceren dan zou de pomp na licht-activatie natrium naar binnen pompen, de neuron zou daardoor depolariseren en daarmee worden geactiveerd. Specifieke neuronen uitgerust met zo’n pomp zou hij dus op commando door middel van licht kunnen laten ‘vuren’. Veel wetenschappers waren sceptisch; het zou technisch te moeilijk zijn en een eiwit uit een obscure groene alg (Chlamydomonas reinhardtii) zou nooit in een neuron kunnen werken. Maar het hele experiment bleek fantastisch te werken; de neuron werd actief zodra er blauw licht op werd geschenen.

Deisseroth en andere wetenschappers hebben sindsdien laten zien dat deze techniek (optogenetics) zelfs in levende organismen heel precies bepaalde neuronen op gezette tijden kan activeren en inactiveren. Ongelofelijke experimenten zijn ondertussen uitgevoerd: bij muizen zijn herinneringen van een beloning (voedsel) ‘ingeplant’ door bepaalde neuronen te stimuleren wanneer de muis zich op een specifieke plek bevond. De muis heeft de beloning nooit echt gekregen maar blijft toch naar dezelfde plek terugkeren vol verwachting een beloning in ontvangst te nemen, en fruitvliegjes zijn zo ‘geprogrammeerd’ dat ze na het ervaren van licht vluchtgedrag vertonen. Naast deze robotachtige gedragingen geeft optogenetics op dit moment ook inzicht in de hersenpatronen die bij Parkinson, schizofrenie en narcolepsie een rol spelen.

Optogenetics is nog maar 5 jaar oud en is uitgeroepen tot de techniek van 2010 en zal ons in de komende jaren meer over onszelf te weten laten komen, hoe onze hersenen functioneren, waarom sommige mensen depressief zijn, ‘God voelen’, gelukkig of juist ongelukkig zijn. Die kennis zal ons uiteindelijk ook meer inzicht geven in wat ons mens maakt.

Kijk voor een filmpje met ‘geprogrammeerde’ gedragingen in muizen, fruitvliegjes en wormen hier.