'Onze hersenen draaien op elektriciteit en chemie', zegt neurochirurg Dirk De Ridder, momenteel actief aan een Nieuw-Zeelandse universiteit als expert in het elektrisch behandelen van onder meer gehoorproblemen en fantoompijn. 'De twee aspecten vormen een perfecte combinatie, want elektriciteit geeft snelheid en efficiëntie, terwijl chemie variabiliteit en een dimmerfunctie toelaat. De elektriciteit verzorgt de basis van de hersenwerking. De chemie brengt vooral boodschappen van de ene hersencel naar de andere, via zogenaamde synapsen: plekken waar hersencellen contact maken met elkaar. De chemische tussenkomst vermijdt bijvoorbeeld dat er een totale elektrische ontlading in de hersenen komt, wat tot ernstige problemen kan leiden, zoals epileptische aanvallen. Elektriciteit is een alles-of-nietssignaal, dimmen van een signaal kan alleen door de invloed van het honderdtal chemische stoffen dat in de hersenen actief is.'
...

'Onze hersenen draaien op elektriciteit en chemie', zegt neurochirurg Dirk De Ridder, momenteel actief aan een Nieuw-Zeelandse universiteit als expert in het elektrisch behandelen van onder meer gehoorproblemen en fantoompijn. 'De twee aspecten vormen een perfecte combinatie, want elektriciteit geeft snelheid en efficiëntie, terwijl chemie variabiliteit en een dimmerfunctie toelaat. De elektriciteit verzorgt de basis van de hersenwerking. De chemie brengt vooral boodschappen van de ene hersencel naar de andere, via zogenaamde synapsen: plekken waar hersencellen contact maken met elkaar. De chemische tussenkomst vermijdt bijvoorbeeld dat er een totale elektrische ontlading in de hersenen komt, wat tot ernstige problemen kan leiden, zoals epileptische aanvallen. Elektriciteit is een alles-of-nietssignaal, dimmen van een signaal kan alleen door de invloed van het honderdtal chemische stoffen dat in de hersenen actief is.' Omdat chemische elementen in het algemeen gemakkelijker te meten zijn, en eventueel te beïnvloeden zijn door middel van medicatie, is er tot dusver veel meer aandacht voor de chemische aspecten van de hersenwerking geweest dan voor de elektrische. 'Rond elektriciteit hangt altijd een wat mysterieus aura', zegt Rudi D'Hooge van het Laboratorium voor Biologische Psychologie aan de KU Leuven. 'Chemische stoffen en chemische reacties kunnen we ons gemakkelijk visueel voorstellen, maar dat gaat moeilijker voor elektrische krachten. Daardoor krijgt elektriciteit iets magisch, zeker als het over de werking van onze hersenen gaat. Probleem is dat die vermeende magie het hersenonderzoek vatbaar maakt voor charlatanerie: mensen die andere mensen wijsmaken dat ze zich beter zullen voelen na een elektrisch ingrijpen op de hersenen.' De hersenen zien eruit als een vrij uniforme klomp weefsel, maar er schuilt veel variatie in. 'Het is het meest complexe orgaan dat we hebben', zegt Wim Vanduffel van het Laboratorium voor Neuro- en Psychofysiologie aan de KU Leuven. 'Als we er in detail naar kijken, zien we onnoemelijk veel types hersencellen, die onderling bovendien heel dynamische verbindingen vormen, die voortdurend kunnen wijzigen - veel meer dan in andere weefsels. Vroeger konden we alleen de elektrische stroompjes buiten een cel goed meten. Met heel fijne elektroden zijn we nu in staat dat ook in een cel te doen en, belangrijk, voor veel cellen tegelijk. In een ideale wereld zouden we de elektrische stroompjes in alle hersencellen tegelijk moeten kunnen meten, maar in het menselijk brein zitten 85 miljard hersencellen, dus dat wordt een hele uitdaging.' Door middel van het klassieke elektro-encefalogram (eeg) konden wetenschappers de grote lijnen van de elektrische activiteit in de hersenen blootleggen. Daaruit bleek dat de hersenen elektrische golven met verschillende snelheden produceren. 'De golftypes die we op een bepaald moment meten, hangen sterk af van ons gedrag', zegt Robrecht Raedt van het Laboratorium voor Klinische en Experimentele Neurofysiologie, Neurobiologie en Neuropsychologie aan de UGent. 'Als je je ogen sluit en aan niets denkt, of als je slaapt, zijn je hersenen nog actief, want we meten nog altijd sterke elektrische golven. Hoe dieper je slaapt, hoe trager de golven zijn. Als je zelf actief bent, worden de golven dan weer beïnvloed door interne en externe prikkels.' Elektrische signalen gaan uiteraard veel sneller dan chemische. 'De eerste hebben microseconden nodig om van de ene cel naar de andere te gaan, de tweede milliseconden', zegt Dirk De Ridder. 'Er zijn elektrische synapsen in de hersenen waar geen chemische boodschappers voor nodig zijn: ze laten de stroompjes van de ene cel gewoon door naar de andere. Omdat het sneller gaat, kunnen afzonderlijke hersencircuits op die manier een gemeenschappelijke respons geven. Onze hersenen zijn in feite perfect tweetalig, met twee vormen van elektrische prikkeloverdracht: een tonisch patroon van signalen - als een pistool dat schot na schot wordt afgevuurd - en een patroon dat zoals een machinegeweer met uitbarstingen gepaard gaat. Het eerste is typisch voor hersenen die in rust zijn of informatie verwerken, het andere is een reactie op een verandering in je omgeving, zoals het horen van iemand die je naam zegt. Het snelle vuurpatroon zorgt dat je reageert op de verandering. Het overrulet als het ware het tonische systeem.' In de loop van de evolutie zijn er steeds snellere elektrische hersengolven bij gekomen, zegt De Ridder: 'In het begin moeten het vooral heel trage golven geweest zijn, zoals we nu nog bij reptielen zien. Maar met het toevoegen van geheugentaken en emotionele functies, en later de mogelijkheid van denken en plannen, was er nood aan snellere golven, die meer informatie konden dragen. We zien dat trouwens ook in de individuele ontwikkeling van baby tot volwassene. De omgekeerde weg kan eveneens, als iemand dementeert. De tragere golven zorgen vooral voor het integreren van informatie uit verschillende zones van de hersenen. De snellere maken voorspellingen en zeggen of die juist of fout waren. Hersenen zijn intrinsiek niets meer dan voorspellingsmachines op basis van het geheugen, die hun voorspelling toetsen via de zintuigen. Als een voorspelling klopt, doen ze niets, maar als er iets anders gebeurt dan wat ze hadden verwacht, passen ze hun werking aan door het maken van nieuwe verbindingen. Zo sturen ze zichzelf voortdurend bij.' Hoe sneller een golf loopt, hoe meer energie ze vergt. Onze hersenen verslinden energie: ze consumeren 20 tot 25 procent van onze energieproductie. 'Alle types hersengolven zijn aan elkaar gelinkt', vertelt De Ridder. 'Een eeg lijkt chaotisch, maar als je het nader bekijkt, zit er structuur in, vergelijkbaar met hoe wij minuten, uren en dagen in de tijd aan elkaar koppelen. Elektrische synapsen lijken ook functioneel te zijn in het opdelen van de ogenschijnlijk uniforme hersenstructuur in netwerken die soms samenwerken, maar elkaar soms ook tegenwerken. De hersenen werken in aanvang extreem chaotisch, met cellen die aanvankelijk willekeurige verbindingen met elkaar maken, maar geleidelijk komt er structuur in de chaos. De beste respons krijg je als je hersenen ergens tussen beide extremen in functioneren - niet te chaotisch, niet te gestructureerd. Dat is typisch voor complexe, zichzelf regulerende structuren, zoals ook het internet, de economie of een mierenkolonie. Bij een aanval van epilepsie werken de hersenen bijvoorbeeld veel te gestructureerd, wat ook goed te zien is op een eeg: een groot aantal zenuwcellen begint tegelijk signalen uit te sturen met een te grote synchroniciteit. Dat is niet goed.' Er zijn grote verschillen in elektrische activiteit in individuele hersencellen. 'We begrijpen de verschillen nog altijd niet goed', zegt Wim Vanduffel. 'Soms vuren dezelfde hersencellen traag, soms gaat het veel sneller. Het verschil hangt af van de omstandigheden. Om je aandacht ergens op te focussen en uit de veelheid aan informatie het belangrijkste te halen, heb je ofwel een hogere vuurfrequentie nodig, ofwel neuronen die plots gaan samenwerken en synchroon gaan vuren. De andere cellen blijven natuurlijk wel draaien, met stroompjes aan een lager tempo, want je weet nooit wanneer je ze nodig zult hebben. Sommige van die signalen werden tot voor kort als achtergrondruis beschouwd, maar we beginnen nu pas te begrijpen dat de ruis belangrijk is.' De snelheid van vuren hangt mee af van de input die een cel krijgt: er zijn cellen die andere opjutten en cellen die remmen. Het samenspel tussen beide types is belangrijk voor een goed functioneren. Daarnaast wordt de snelheid van een elektrische stroom bepaald door de hoeveelheid isolatie rond de uitlopers waarmee hersencellen verbindingen met elkaar vormen. 'De isolatie wordt verschaft door de stof myeline', legt Vanduffel uit. 'Het werkt op dezelfde manier als een elektrische kabel. Hoe dikker de kabel en hoe dikker de isolatie, hoe sneller de stroom. Maar er zitten grote verschillen in de hoeveelheid myeline rond cellenuitlopers, waardoor de snelheid sterk kan variëren. Multiple sclerose is een ziekte waarbij ons afweersysteem de myelineschedes rond zenuwuitlopers aantast, waardoor elektrische prikkels veel trager gaan lopen en er tal van stoornissen in het functioneren komen.' Vanduffel verwacht doorbraken in het hersenonderzoek als gevolg van de groeiende mogelijkheid om genen te veranderen: 'Niet iedereen heeft het al door, maar gene editing zal voor een revolutie in het hersenonderzoek zorgen. Ook voor het genezen van ziektes: voor aandoeningen die van één of slechts enkele genen afhangen, zoals de ziekte van Huntington, biedt het mooie perspectieven. Op termijn zal het ook mogelijk worden om rechtstreeks te interfereren met de activiteit van welbepaalde cellen. Bij muizen en ratten kunnen we al specifieke cellen in een celmassa heel nauwkeurig aan- en uitzetten door middel van licht, en we zijn klaar om deze technieken op apen te testen. Zo kunnen we nagaan wat er gebeurt als we de elektriciteit in bepaalde cellen verhogen of verlagen.' Ook Robrecht Raedt is bezig om een revolutionaire techniek in de praktijk om te zetten: optogenetica. 'Het is een techniek waarmee we niet langer elektrodes in de hersenen moeten plaatsen om stroompjes op te wekken', legt hij uit. 'We brengen genen in patiënten in, die vertaald worden in lichtgevoelige ionenkanaaltjes die in celmembranen terechtkomen. Door licht van een bepaalde kleur op die kanaaltjes te laten schijnen, kunnen we ze openen, waardoor er elektrische stroompjes door kunnen lopen. Daarmee kunnen we de elektrische activiteit van specifieke zenuwcellen beïnvloeden, bijvoorbeeld om een epileptische aanval te counteren. Het zal ook nuttig zijn voor het patiëntvriendelijker behandelen van de ziekte van Parkinson. We gebruiken nu elektrodes om het ongecontroleerd beven dat met parkinsonaanvallen gepaard gaat, tegen te gaan. Dat geeft goede resultaten, maar het is helaas geen genezing, het remt alleen de ergste symptomen af. Met elektrische stimulatie heb je ook weinig controle over welke cellen je activeert, want je beïnvloedt alles in de buurt van de elektrode. Met optogenetica zullen we veel selectiever kunnen werken, waardoor je minder neveneffecten krijgt. Ik verwacht dat deze techniek binnen tien jaar klinisch bruikbaar zal zijn.' Een techniek die er binnen vijf jaar zal zijn, is transcraniale magnetische stimulatie. 'In plaats van een elektrode in de hersenen in te planten, ga je een spoel tegen het hoofd houden', zegt Raedt. 'Daar gaat een stroom door die een magnetisch veld opwekt. Magnetisme gaat veel gemakkelijker door de schedel dan elektriciteit. Het is dus een heel efficiënte manier om niet-invasief bepaalde zones van de hersenen te stimuleren. De enige beperking is dat we ze niet kunnen gebruiken voor stimulatie van kernen die diep in de hersenen liggen, ze werkt alleen aan het oppervlak. In het UZ Gent wordt de techniek experimenteel getest voor het behandelen van depressies en bepaalde types van epilepsie. Ondanks het feit dat we al duizenden patiënten met epilepsie efficiënt behandeld hebben met het toedienen van extra elektriciteit aan de hersenen, begrijpen we nog altijd niet goed hoe de behandeling werkt. Een van de werkhypothesen is dat de extra elektrische prikkelingen neuronen moe maken, waardoor ze minder geneigd zijn tegelijk te vuren en dus niet meer in staat zijn een epileptische aanval uit te lokken.' Raedt heeft het ook over 'electroceuticals' of 'bio-elektronica': het elektrisch stimuleren van zenuwen die de werking van onze organen controleren, waardoor bepaalde natuurlijke chemicaliën ter hoogte van het juiste orgaan worden vrijgezet en zo de werking ervan beïnvloeden. 'Er zijn al testen bezig voor het behandelen van onder meer astma, artrose en diabetes. We werken met een aantal partners ook aan miniatuurchips die we in de hersenen kunnen inplanten en waarmee we plaatselijk elektriciteit kunnen meten en eventueel beïnvloeden. We hopen op deze manier naast epilepsie en bewegingsstoornissen bepaalde verslavingsaandoeningen aan te pakken, en misschien ook aspecten van de ziekte van Alzheimer. We zouden zelfs kunnen proberen te bereiken dat mensen met een verslaving gewoon stoppen met denken aan hun verslavende product. Er worden veel pistes onderzocht.' Rudi D'Hooge maakt zich zorgen over de naïviteit waarmee consumenten soms met dit soort mogelijkheden omgaan: 'De techniek om met een elektrode je hersenen te stimuleren, is nog experimenteel, maar toch zijn er al apparaatjes op de markt om dat te doen. Gelukkig is de stroom die ze genereren zo laag dat hij enkel een effect op de huid heeft, en niet op de hersenen. De consument wordt zo wel belazerd. Wetenschappers zoeken vlijtig naar mogelijke effecten van het elektrisch stimuleren van de hersenen op IQ, creativiteit en geheugen, maar dat heeft nog geen sluitende resultaten opgeleverd, en misschien gelukkig maar. Ik sluit echter niet uit dat we naar een toekomst gaan, waarin we elektronische componenten op ons hoofd zullen hebben om via onze hersenen te communiceren.' Er zijn al experimenten gedaan waarbij wetenschappers een elektrisch treintje laten rijden met de elektrische golven van iemands hersenactiviteit. Je kunt mensen zelfs zo trainen dat ze hun hersenen een tijdlang de juiste golven kunnen laten produceren om het treintje te blijven stimuleren. 'Dat noemen we biofeedback', legt D'Hooge uit. 'Het is een trainingstechniek die onder meer ook bij psychiatrische aandoeningen zoals angststoornissen gebruikt wordt, maar eveneens om gewoon wat te ontspannen. Om het treintje te laten rijden hebben we de golven nodig die onze hersenen produceren als we op ons bed liggen te rusten.' Op termijn, meent D'Hooge, zullen er ook connecties komen tussen onze smartphones en onze hersenen: 'We zullen onze elektronische apparaten en eventuele prothesen zelfs gewoon vanuit onze hersenen met hersengolven kunnen aansturen. Het gaat natuurlijk niet op om dat te doen met een dikke elektrode aan elke kant van ons hoofd. We moeten er op precieze locaties in de hersenen heel fijne structuren voor kunnen plaatsen, met dikwijls miljoenen contactpunten. Maar ik twijfel er niet aan dat het eraan zit te komen. Door de grote aandacht voor het werk van hersenscanners zijn de mogelijkheden van de elektriciteit in onze hersenen de jongste decennia wat onderbelicht gebleven, maar die achterstand zijn we in sneltreintempo aan het goedmaken.'