We hebben meer dan tien keer zoveel hersencellen in ons hoofd dan dat er mensen op de wereld zijn. Technisch neurobioloog Dimphna Meijer doet onderzoek naar deze neuronen, door schaalmodellen te maken van de netwerken die zij vormen. Die kennis hoopt ze uiteindelijk naar de kliniek te kunnen brengen. ‘De neurobioloog van de toekomst is ook ingenieur.’
Ons brein bevat 100 miljard neuronen: meer dan tien keer zoveel als de wereldbevolking. Dat astronomische aantal stelt ons voor een vraagstuk dat bijna net zo groot is. Want hoe werken deze neuronen samen? ‘We weten dat de neuronen er zijn, we weten een beetje over hun lengte, hun gedrag, en dat ze met elkaar communiceren. Maar we weten niet in welke taal, en welke woorden ze gebruiken’, zegt technisch neurobioloog Dimphna Meijer. ‘Ons doel is om de communicatie tussen neuronen te begrijpen op moleculair en cellulair niveau, maar ook in de vorm van netwerken. Die kennis kunnen we uiteindelijk gebruiken in de kliniek.’
Moleculaire brug
Elk individueel neuron van die miljarden in ons brein maakt ongeveer duizend verbindingen met andere neuronen. Meijer en haar collega’s kweken in hun laboratorium zelf neuronale cellen. Door deze nauwkeurig te bestuderen, komen ze meer te weten over het proces dat schuilgaat achter deze verbindingen tussen twee neuronen. Meijer ontdekte dat een verbinding tot stand komt op moleculaire schaal: eiwitten op het celoppervlak vormen een échte verbinding van het ene naar het andere neuron. ‘Zie het als een brug op moleculaire schaal van enkele nanometers groot’, zegt Meijer. Zo’n brug kan heel simpel zijn: een verbinding tussen neuron A en B in de vorm van twee eiwitten. ‘Eiwit A is bijvoorbeeld langgerekt, alsof het neuron een arm uitsteekt. Eiwit B bestaat dan uit bolletjes, waardoor eiwit A het goed kan vastpakken.’ Soms zijn de bruggen complexer, en vormen ze met een veelvoud van eiwitten een soort nanobouwwerken.
Cellen bekogelen
Maar om te weten te komen wat er precies gebeurt als zo’n brug zich vormt, is een context nodig in de vorm van het neuron. De cel bepaalt immers hoe en waar een eiwit tot expressie komt. Meijer werkt daarom samen met collega’s uit de biotechnologie om de brug-eiwitten op cellulair niveau te bestuderen. Dat doen ze met een combinatie van biochemie en massaspectrometrie: de onderzoekers isoleren de eiwitten uit een neuron, en bekogelen die vervolgens met ionen, waardoor de eiwitten een elektrische lading krijgen. Door te bestuderen hoe de eiwitten rondvliegen in een magnetisch veld, kunnen de onderzoekers ze identificeren.
Cel-celcontact
‘Als we weten hoe het eiwit eruitziet, kunnen we ermee gaan spelen’, zegt Meijer. ‘We kunnen er bijvoorbeeld een fluorescerend label op plakken, waardoor we het live kunnen volgen onder de microscoop. Zo zien we hoe snel het beweegt, en waar het heen gaat. En we zien of het samenklontert met andere eiwitten, of zich juist verspreidt over het celmembraan.’ Die kennis helpt de onderzoekers op hun beurt beter te begrijpen hoe cellen met elkaar communiceren. ‘We bestuderen nu een brugeiwit dat een soort uitstulpinkjes, vingertjes op het celmembraan, veroorzaakt’, zegt Meijer. ‘Wij denken dat zo’n vingertje het begin is van een contactpunt met een andere cel, en dat dit eiwit dus belangrijk is voor de eerste stap bij het vormen van cel-celcontact, op moleculair én cellulair niveau.’
Schaalmodel
Maar hoe gedragen neuronen zich als ze in grote aantallen bij elkaar zijn? Meijer bootst dat samenspel na in haar laboratorium met een biologisch schaalmodel. ‘We kunnen intussen een netwerk van zo’n tienduizend neuronen vormen in een kweekbakje’, zegt Meijer. ‘Met een automatische microscoop kunnen we daar een grote, gedetailleerde foto van maken. We brengen zo het hele netwerk in het bakje in beeld: we bestuderen welke cellen fysieke connecties met elkaar vormen, hoe de paden lopen, en welke cellen de verbindingen organiseren.’ Uiteindelijk hoopt Meijer de communicatie tussen neuronen zo goed te begrijpen, dat ze ook weet hoe de miljarden neuronen in ons brein met elkaar praten en netwerken vormen.
Fundamentele processen
Meijer probeert in haar onderzoek eerst antwoorden te vinden op basale onderzoeksvragen, voordat ze de kennis toepast. Fundamenteel onderzoek is daarom volgens haar essentieel. ‘Binnen de neurowetenschappen gaan wetenschappers, net als in de kankerbiologie, uit van de zieke situatie. In mijn onderzoek naar neurologische afwijkingen draai ik het juist om. Ik ben ervan overtuigd dat de focus moet liggen op fundamentele processen. Als we eenmaal weten hoe die werken, kunnen we ze hopelijk in de toekomst beïnvloeden bij patiënten met connectopathies: ziektes waarbij de verbindingen tussen neuronen niet goed functioneren, zoals schizofrenie en adhd. Bijvoorbeeld met geneesmiddelen die de verbindingen tussen neuronen nabouwen of repareren.’
Snijvlak
Het vakgebied van Dimphna Meijer en haar collega’s is nog grotendeels onontgonnen, maar haar aanstelling als neurobioloog bij een technische universiteit geeft haar een groot voordeel bij het doen van onderzoek. ‘We moeten de vakgebieden biologie en technologie combineren als we verder willen komen. Innovaties en het systeem- en procesmatig denken waar de TU Delft groot in is, is daarbij nodig.’ Het werk op het snijvlak van twee vakgebieden levert Meijer veel werkplezier op. ‘Ik vind het mooiste moment van de dag nog steeds als een van mijn aio’s me meeneemt naar de microscoop om een plaatje te laten zien. We staan voor een enorm vraagstuk, want we weten nog weinig van de hersenen. Maar als we biologie met technologie combineren, kunnen we grote stappen zetten. De neurobioloog van de toekomst is ook ingenieur.’
Dimphna Meijer begon haar wetenschappelijke carrière in Utrecht, waar ze Biomedische Wetenschappen studeerde. Een stageonderzoek bij de Harvard Medical School in Boston wakkerde haar interesse aan voor de neurobiologie. Ze bleef zes jaar in de Verenigde Staten en deed haar PhD-onderzoek bij de afdeling Neurobiologie van de Harvard Medical School. Eenmaal terug in Nederland was Meijer vier jaar als postdoc verbonden bij de afdeling Kristal- en Structuurchemie van de Universiteit Utrecht. Haar ervaring komt samen in haar huidige functie als universitair docent Kwantitatieve Neurobiologie bij de TU Delft, waar zij sinds 2018 de onderzoeksgroep leidt.
Tekst: Koen Scheerders | Beeld: Getty Images
