Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 19 mei 2007
Hoe verbind je levende hersencellen met een levenloze chip? Wellicht lukt het door de chip biochemisch zo te vermommen dat hij aantrekkelijk wordt voor de cellen.
In 1963 implanteerde de Spaanse fysioloog José Delgado een elektrische stimulator in de hersenen van een stier. Op een ranch in Cordoba daagde hij het beest vervolgens uit. Terwijl de stier hem aanviel, drukte Delgado op een afstandbediening. Deze stimuleerde een zorgvuldig uitgekiende hersenkern, waarna het beest zijn aanval meteen stopte. De foto’s van Delgado en de stier gingen de hele wereld over. De New York Times sprak over een spectaculaire demonstratie van technologische controle over het brein.
Het onderzoek naar hersenimplantaten voor medische toepassingen kwam in de jaren zeventig en tachtig op een laag pitje te staan, omdat doorbraken uitbleven. Maar inmiddels is het onderzoek naar de hersenchip weer helemaal terug, gesteund door ontwikkelingen in de micro- en nano-elektronica, door een betere kennis van de hersenen en door nieuw biomaterialenonderzoek.
Hersenchips kunnen bijvoorbeeld uitkomst bieden bij mensen met een verlamming. Een patiënt kan dan via zijn gedachten bijvoorbeeld een robotarm of iets anders aansturen. Ook patiënten met een depressie, de ziekte van Parkinson, epilepsie of dwangstoornissen kunnen baat hebben van geïmplanteerde elektroden, die de ziekte op de juiste plek te lijf gaat met subtiele stroomstootjes.
Spijkerbed
Het grootste probleem is echter dat een levende hersencel maar moeilijk contact maakt met een niet-levende chip. Probeer levend weefsel in contact te brengen met niet-biologische materialen, en het liefst keert het weefsel de chip de rug toe. Of elektroden op de chip raken ingekapseld door bindweefsel waardoor de elektrische geleiding afneemt en de cel slechter te prikkelen valt. De grote uitdaging is om een langdurige, stabiele verbinding tussen hersencel en chip te maken; eentje die niet te lijden heeft onder weefselschade of loslatende neuronen.
Hoogleraar neurotechnologie Wim Rutten doet aan de Universiteit Twente onderzoek naar de hersenchip. “Globaal gesproken zijn er twee manieren om een chip met een hersencel te verbinden”, zegt Rutten. “Ofwel je brengt elektroden naar de cellen toe, ofwel je brengt de cellen naar de elektroden toe.”
Op de eerste manier gebruik je een array van een stuk of honderd kleine elektroden: een soort spijkerbed. Dat spijkerbed prik je in een klein gebied van de hersenen. Het idee is om tientallen cellen tegelijk te stimuleren, omdat we wel globaal weten wat verschillende hersengebiedjes doen, maar niet wat elke hersencel afzonderlijk doet. Vijftig tot zeventig procent van al die elektroden komt dicht genoeg bij een cel om deze elektrisch te stimuleren.
De elektroden zijn tweehonderd tot vijfhonderd micrometer lang, tien micrometer breed (ongeveer zo breed als het lichaam van een hersencel), en ze staan honderd micrometer uit elkaar. Zo kreeg de door een steekpartij verlamd geraakte Amerikaan Matthew Nagle in 2004 een brein-computerinterface geïmplanteerd. Nagle mocht het bij wijze van proef een jaar gebruiken. In die tijd kon hij door te denken de cursor op een computerscherm aansturen en zo bijvoorbeeld een tv bedienen of e-mail checken.
Op de tweede manier probeer je idealiter elke cel met een elektrode te verbinden. Dit is een verfijndere methode. Je probeert om celuitlopers uit te lokken om zich aan een elektrode te hechten. Hier ligt ook de grootste chemische uitdaging, vertelt Rutten. “Hoe zorg je ervoor dat celuitlopers goed hechten aan een elektrode? Welke biomaterialen moet je daarvoor gebruiken?”
Adhesie
De elektroden zelf zijn gemaakt van roestvrij staal, platina, goud of iridiumoxide. Om elektrolyse te vermijden, blijven de stroompjes beperkt tot nano- of microampères. Zenuwcellen hebben ook niet meer nodig, mits de elektrode maar dicht genoeg bij het celmembraan zit.
Het lichaam accepteert niet graag vreemde materialen. Onderzoekers moeten daarom moeite doen om de juiste biomaterialen te vinden waarmee een chip wel hersencellen kan verleiden. Rutten: “We bedekken de elektroden met eiwitten die goed passen bij het biologische signaleringsproces van de cel. Bijvoorbeeld coatings van laminine of poly-D-lysine. De stroom gaat gewoon door die monolaag heen. De uitdaging ligt in de adhesie. Cellen plakken normaal aan elkaar doordat er eiwitten door het celmembraan steken. Deze eiwitten koppelen aan uitsteeksels van een andere cel. Wij proberen nu te spelen met een hele familie van koppeleiwitten om uit te zoeken welk eiwit het beste werkt.”
Omdat een driedimensionale spijkerbedchip moeilijk te maken is, proberen onderzoekers nu elektroden in een plat vlak te gebruiken, voorzien van adhesieve lagen en gekweekte neuronen. Een cultured probe heet dat. Rutten: “In een cultured probe combineren we chiptechnologie met cel- en tissue-engineering. We gebruiken conventionele chiptechnologie om op een glasplaatje elektroden en isolatielagen te dampen. We kweken rond elke elektrode een groepje neuronen. Later implanteren we dan het hele zaakje, en lokken we celuitlopers van de zenuwcellen naar iedere elektrode. De gekweekte groepjes neuronen fungeren als lokvogels door de afgifte van natuurlijke groeistoffen. In het lab zijn onderdelen hiervan al geslaagd.”
De ontwikkeling van de ‘cultured probe’ is sterk afhankelijk van de kwaliteit van het contact tussen de cellen en de elektrodesubstraatmaterialen, meestal glas of silicium. Hoe goed is dat contact, en hoe lang houden cellen dat contact vol? Rutten: “In het lab proberen we de adhesie te verstevigen door het aanbrengen van adhesieve chemische coatings: nanolagen van polymeren of eiwitten. Deze lagen moeten zowel aan het substraat als aan de cel hechten. Daarnaast worden de gebieden waar geen hechting moet optreden neurofoob gemaakt. In het algemeen zijn aminegroupen celvriendelijk, en methylgroepen celonvriendelijk. Ook zijn cellen lichtelijk negatief elektrisch geladen, zodat ze met positieve lading vastgehouden kunnen worden.”
Tot dertig dagen gaat het goed, maar uiteindelijk zijn cellen toch erg sterk in het zich weer losmaken, zo is gebleken. Daarom worden nu nog slimmere methoden bedacht, zoals de genoemde koppeleiwitten.
Cellen aan de ketting
Het probleem om hersencellen met een chip te verbinden speelt niet alleen bij het implanteren van een chip in de hersenen, maar ook bij het groeien van hersencellen op een chip, met als doel om zo hun gedrag te bestuderen. Bij het Leuvense interuniversitaire lab voor micro-elektronica en nanotechnologie IMEC is Carmen Bartic groepsleider bio-elektronische systemen. Haar groep werkt onder andere aan het groeien van hersencellen op een chip.
“Onze chips bevatten patronen van cytofiele en cytofobe plekken”, vertelt Bartic. “De cellen willen wel op de cytofiele plekken gaan zitten, maar niet op de cytofobe plekken. Cytofiele plekken bestaan uit een nanometerdunne coating van speciale peptiden, zoals poly-L-lisine en laminine. Zo maken we cytofiele gebiedjes van tien tot vijftien micrometer breed, precies groot genoeg zodat cellichamen er gaan zitten. Deze gebiedjes zijn verbonden via dunne lijntjes, waar de celuitlopers in kunnen groeien. De celuitlopers verbinden de cellichamen met elkaar. Door dit patroon van cytofiele en cytofobe plekken voorkomen we dat de cellen gaan bewegen – iets wat ze normaal wel doen.”
De chip legt de cellen dus als het ware aan de ketting. Typisch zitten er zo’n honderd cellen op een chip, maar het precieze aantal hangt sterk af van de toepassing. “Idealiter kan de chip met elke individuele cel communiceren”, zegt Bartic. “Dat lukt ons tegenwoordig vrij goed.”
In samenwerking met biologen en medici gebruikt het IMEC de cellen op een chip bijvoorbeeld voor onderzoek naar ziekten als Alzheimer of Parkinson. Bartic: “Zo kunnen we onderzoeken wat een bepaalde stof in al die cellen doet. Of we gebruiken de cellen om de werking van geneesmiddelen te onderzoeken.”
Stukje bij beetje wordt er vooruitgang geboekt om dode met levende materie te laten praten. Begin 2007 werd in de VS een siliciumchip in een deel van het geheugensysteem van een rat geïmplanteerd. Het was de eerste keer dat een chip niet alleen signalen uit de hersenen ontvangt, maar ook zorgvuldig berekende signalen terugstuurt. De chip gedraagt zich dus als een soort elektronische bypass in de hersenen. Zo wordt onderzocht of zo’n chip misschien ooit geheugendefecten kan herstellen.
Internet
Onderzoek van Wim Rutten: http://bss.ewi.utwente.nl/people/scientific/wim_rutten.doc/
Het neuroelectronics convergence laboratory van het Vlaamse IMEC: www.imec.be/wwwinter/mediacenter/en/SR2005/html/142373.html
IMEC Bioelectronics: www.imec.be/microsystems/bioelectronics/
Neurotechnology Systems Inc.: www.cyberkinetics.com
Laboratory for Neural Engineering van een van de pioniers, Theodore Berger: www.usc.edu/dept/engineering/neuralengineering/
Onderzoeksgroep van Miguel Nicolelis: www.neuro.duke.edu/faculty/nicolelis/
Artikel over het werk van José Delgado, de pionier van de hersenchip. Met de beroemde foto’s uit 1963 van de stier die zijn aanval stopt: www.wireheading.com/delgado/brainchips.pdf
Showing posts with label Chemisch2Weekblad. Show all posts
Showing posts with label Chemisch2Weekblad. Show all posts
Thursday, February 21, 2008
Monday, February 11, 2008
De chemische bouwstenen van het bewustzijn
De chemische signaaloverdracht tussen twee hersencellen is de elementaire bouwsteen van alle hersenfuncties, van het hele menselijke bewustzijn. Biochemici ontrafelen molecuul voor molecuul hoe hersencellen chemisch met elkaar praten.
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, februari 2006
De menselijke hersenen bevatten ongeveer net zoveel hersencellen als het aantal sterren in de Melkweg: zo’n honderd miljard. Het aantal verbindingen tussen die hersencellen is nog eens duizend tot tienduizend maal zo groot, veel meer dan het aantal sterrenstelsels in het hele universum. De hersenen zijn een universum in zichzelf. Ze maken dat we ‘ik’ kunnen zeggen, dat we ons bewust zijn van wie we zijn. Ze kunnen de prachtigste muziekstukken componeren, de ingewikkeldste wiskunde bedenken en de voet van een voetballer aansturen, die een vrije trap met een prachtige boog in het doel schiet. Maar ze kunnen ook op hol slaan en manisch, depressief of schizofreen worden. Of alle herinneringen verliezen.
Het is nauwelijks te bevatten dat aan de basis van dat alles de elektrische en chemische communicatie tussen hersencellen staat. Een vurende hersencel, ofwel neuron, stuurt een elektrisch signaal naar zijn uitlopers. Aan het uiteinde gekomen, wordt een chemisch signaal opgewekt: er komen neurotransmitters vrij. Die neurotransmitters diffunderen door een nauwe spleet, de synaps, van het ene naar het andere neuron. Het ontvangende neuron pikt die chemische stofjes met specifieke receptoren weer op. Zo praat het ene neuron met het andere, en meestal met vele andere tegelijk. Althans, dat is het simpele beeld uit de schoolboekjes.
Maar hoe meer je op de chemische communicatie inzoomt, hoe ingewikkelder het in elkaar blijkt te zitten. In het uiteinde van een neuron zitten een soort blaasjes vol met neurotransmitters. Als er een elektrisch signaal aankomt, maken een boel van die blaasjes contact met het uiteinde van het neuron. Hun wanden versmelten met elkaar, zodat elk blaasje eigenlijk wordt geopend. Zo komen de neurotransmitters vrij. We kennen momenteel een kleine honderd van die chemische stofjes. De chemische overdracht of synaptische vertraging duurt minder dan een milliseconde, wat snel lijkt, maar toch traag is vergeleken met hoe snel de huidige computers hun bits en bytes verwerken.
Truc met de vallende munt
“Er is een mooi experiment om die synaptische vertraging te laten zien”, zegt Reinhard Jahn, onderzoeksdirecteur neurobiologie bij het Max Planck Instituut voor biofysische chemie in het Duitse Göttingen. “Neem een munt in je hand. Vraag nu iemand anders om zijn hand direct onder de jouwe te plaatsen. De truc is nu dat die ander moet proberen om de munt te vangen, nadat jij die hebt laten vallen. Dat is onmogelijk. Zodra jij de munt laat vallen, moet de ander de waarneming van dat vallen eerst in zijn hersenen verwerken en vervolgens de spieren van zijn hand aansturen voor het vangen. Die signalen gaan langs zoveel neuronen dat de chemische vertraging tussen de synapsen het onmogelijk maakt de munt te vangen.”
Het proces van het vrij laten komen van de neurotransmitters uit de synaptische blaasjes, exocytose geheten, is essentieel, want er kan zo vreselijk veel bij misgaan. Bioloog en chemicus Jahn is een wereldexpert op het gebied van exocytose. “De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen is de elementaire bouwsteen van alle hersenfuncties, van het hele menselijke bewustzijn. Aan de kant van het zendende neuron speelt exocytose de hoofdrol. Aan de kant van het ontvangende neuron spelen de receptoren voor neurotransmitters, zeg maar de ontvangers van het chemische signaal, de hoofdrol. Als we beide processen begrijpen dan kunnen we hopelijk ook veel beter ingrijpen in de chemie van het brein.”
Precies op het terrein van het begrijpen van de exocytose hebben biochemici de afgelopen tien jaar belangrijke bijdragen geleverd. Jahn: “Exocytose wordt geregeld door een gigantische supramoleculaire machine. In die machine werken honderden eiwitten en duizenden lipiden. We weten nu dat in elk synapsuiteinde ongeveer honderd synaptische blaasjes zitten. Hoeveel blaasjes er bij een elektrische trigger fuseren met het membraan, verschilt nogal.”
Eén blaasje meet gemiddeld 42 nanometer in diameter en in elk zitten enige duizenden transmittermoleculen. Maar een blaasje fuseert niet vanzelf met de wand. “Daar zijn eiwitten voor nodig”, legt Jahn uit. “De snare-eiwitten. Die knappen het vuile werk op. Zelf worden ze gerecycled door weer een ander eiwit. De ontdekking van die snare’s zou trouwens nog wel eens een Nobelprijs kunnen opleveren.”
Na het versmelten met het membraan, worden er nieuwe blaasjes uit het membraan gevormd. Dat is het omgekeerde proces van exocytose: de endocytose. En ze worden opnieuw gevuld met neurotransmitters. Jahn: “Voordat de blaasjes klaar zijn voor hergebruik duurt wel een seconde of dertig tot veertig. Een langzaam proces dus. Niet alle blaasjes worden trouwens tegelijk gebruikt voor de chemische communicatie tussen neuronen.”
Het ontwikkelen van een volledig mechanistisch en kwantitatief moleculair model voor het exocytoseproces is het grote doel voor Jahn. “Het is moeilijk te zeggen wat de grootste onbekende hierin is. Het ontbreekt ons vooral aan kwantitatieve informatie. Hoeveel molecuulcomplexen zijn er nodig? Hoe beïnvloedt hun aantal het praten van neuronen met elkaar? Hoe zijn ze georganiseerd? Wat de snare’s doen, begrijpen we inmiddels vrij goed, maar niet hoe het volledige proces wordt gereguleerd.”
Meettechnieken
Gelukkig komen er steeds betere analytisch-chemische technieken om die exocytose zo precies mogelijk in plaats en tijd te meten, meestal in diercellen als modelsystemen.
Jahn: “Exocytose is een van de snelste processen in de cel, en dus hebben we snelle meettechnieken nodig. Met koolstof micro-elektroden van vijf micrometer diameter kunnen we het loslaten van de neurotransmitters tijdens de exocytose meten aan een enkele cel. We plaatsen de elektrode dichtbij het celmembraan van de synaps. In feite meten we de oxidatie of reductie van de vrijgekomen transmitter aan het oppervlak van de koolstofelektrode. Fuseert een synaptisch blaasje met het membraan, dan komen de neurotransmitters vrij en meten we een oxidatiestroompje in de elektrode. De methode is heel gevoelig voor de hoeveelheid neurotransmitter en kan het proces in fracties van een milliseconde volgen. Maar de methode werkt alleen bij die klasse van neurotransmitters die gemakkelijk geoxideerd kunnen worden.”
Een andere manier om exocytose te bestuderen is het aanbrengen van fluorescerende kleurstof in de synaptische blaasjes. “Binnenin het blaasje heerst normaal een zure omgeving”, vertelt Jahn. “Maar bij exocytose wordt de inhoud snel geneutraliseerd. Als dat gebeurt, begint de aangebrachte kleurstof te fluoresceren. Met een speciale microscooptechniek kunnen we dat proces volgen. Tot nu toe is het probleem dat we geen individuele blaasjes kunnen zien. We werken er echter hard aan om met een nieuwe microscooptechniek wel één afzonderlijk blaasje te kunnen bekijken.”
Jahn’s onderzoeksgroep gebruikt verder ook kunstmatig gemaakte synaptische blaasjes. “Om te bewijzen dat een bepaald eiwit een bepaalde taak doet, moet je het geïsoleerd bestuderen. We stoppen eiwitten in kunstmatige membranen en proberen de exocytose te reconstrueren door kunstmatige blaasjes met een kunstmatig membraan te laten fuseren. Willen ze inderdaad met elkaar fuseren, en zo ja, hoe gebeurt dat? Welke eiwitten helpen bij de fusie? Ook de membranen zelf bestuderen we in isolatie. Alles volgens de reductionistische aanpak: bestudeer een eenvoudig subsysteem en relateer dat aan een biologische functie in het grotere geheel.” En dat moet met een interdisciplinair team van biologen, chemici en fysici gebeuren, benadrukt de neurobioloog. “Zo doen we dat in mijn onderzoeksgroep ook.”
Nieuwe medicijnen
Het begrijpen van de chemische communicatie tussen neuronen, is één doel. Het met medicijnen ingrijpen in dit proces is een ander doel: controle krijgen over het proces van exocytose. “Hoe krijgen we controle over exocytose? is een van de grote openliggende vragen”, zegt Jahn. “Als we eerlijk zijn, moeten we zeggen dat de huidige medicijnen in de neurologie en psychiatrie dicht aanliggen tegen voodoowetenschap. We begrijpen gewoon niet hoe ze werken.” Antidepressiva, bijvoorbeeld, werken maar bij zo’n vijftig tot zestig procent van de patiënten. Bij een boel mensen werken ze dus niet. En een placebomedicijn werkt ook al bij 35 procent.
De meeste geneesmiddelen zijn gericht op de receptoren van het ontvangende neuron, dus op de postsynaptische kant. “Maar recentere middelen zoals prozac”, zegt Jahn, “werken op de presynaptische kant, dus aan het uiteinde van het zendende neuron, precies waar de exocytose plaatsvindt. Niemand begrijpt waarom prozac als antidepressivum werkt en waarom een hoge concentratie van de neurotransmitter serotonine mensen blijer maakt. Het geneesmiddelenonderzoek dat zich richt op de presynaptische kant bevindt zich nog in de kinderschoenen, maar zal de komende tien jaar flink groeien. Wat daar zal uitkomen, kan ik absoluut niet voorspellen.”
Ook bij niet-psychiatrische hersenaandoeningen zoals herseninfarcten, zijn nieuwe medicijnen die ingrijpen op de chemische communicatie een noodzaak. Jahn: “Bij een herseninfarct krijgen bepaalde hersencellen te weinig zuurstof. Op dat moment laten ze in heel korte tijd een zeer hoge concentratie van neurotransmitters los. Een tot twee weken later beginnen ze af te sterven. Misschien heeft het een met het ander te maken. Op een of andere manier willen we in dat proces ingrijpen om het afsterven te voorkomen. Dat is van immens belang.”
Anderhalf pond denkvlees
De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen mag dan wel de elementaire bouwsteen in de hersenen zijn, uiteindelijk gaat het toch om hoe alle honderd miljard hersencellen met elkaar samenwerken. De grote uitdaging voor de 21e eeuw is daarom om van het niveau van de enkele hersencel weer terug te gaan naar de complete hersenen met al hun prachtige vermogens, maar ook met hun nukken en grillen. Hoe ontstaat het bewustzijn? Hoe ontstaan geheugen, waarneming, taal en emotie? Hoe kunnen de hersenen leren?
Hoe de antwoorden op deze vragen ook precies uitvallen, één ding is al duidelijk: het begrip ‘ziel’ of ‘geest’ – een of andere niet-materiële entiteit die los staat van de hersenen – is overbodig geworden. We mogen dan nog lang niet alles weten over het functioneren van de hersenen, meer dan een kleine anderhalf pond denkvlees is er niet. Dat is een belangrijke – hoewel nogal geruisloos verlopen – revolutie die het moderne hersenonderzoek teweeg heeft gebracht.
Daarmee is het de derde wetenschappelijke revolutie die de mens noopt tot grote bescheidenheid, of we dat nou leuk vinden of niet. Copernicus heeft de mensheid laten zien dat de aarde niet het centrum van het universum is. Darwin haalde de veronderstelde unieke positie van de mens onderuit door hem te plaatsen in een lange evolutionaire reeks van levende organismen, waarvan de aap de meest recente voorvader is. Het hersenonderzoek laat zien dat wat wij zo lang gekoesterd hebben als ‘geest’ of ‘ziel’, niet meer is dan een illusie. En bewustzijn is niets anders dan wat alle met elkaar communicerende hersencellen samen produceren. Maar dat doet niets af aan wat mensen zelf denken en voelen. De zon zien opkomen in de bergen, blijft even mooi als het altijd is geweest, ook als we precies begrijpen hoe hersencellen met elkaar praten.
[Kader:]
Het geheugenmolecuul
Dat je met diermodellen kunt begrijpen hoe menselijk leren werkt, daar geloofden biologen en psychologen in de jaren vijftig en zestig niets van. Menselijk leren, dat was uniek voor mensen. Neurobioloog Eric Kandel had een heel andere opvatting. Op evolutionaire gronden was hij er van overtuigd dat er aspecten van het menselijk leervermogen moesten zijn die op moleculair en cellulair niveau identiek zijn bij lagere diersoorten. De mens is immers geëvolueerd uit veel eenvoudiger organismen.
Kandel koos uiteindelijk voor de zeeslak als eenvoudig diermodel. Het beestje heeft slechts twintigduizend neuronen, tegenover honderd miljard bij de mens. Dat maakt het onderzoek een stuk makkelijker. Hij bestudeerde vervolgens hoe eenvoudige kieuwreflexen van de zeeslak konden veranderen door verschillende, primitieve vormen van leren, onder andere via de klassieke truc van de conditionering. Zo ontdekte hij dat tijdens het leren de synaptische verbinding tussen zenuwcellen werd versterkt. Hoe meer oefening, hoe sterker de verbinding wordt, dat wil zeggen: hoe gemakkelijker de elektrochemische communicatie verloopt. Kandel slaagde er zo als een van de eersten in om een moleculair model voor een eenvoudig geheugen op te stellen.
Via experimenten aan slechts twee neuronen uit de zeeslak ontdekte hij nog veel meer, met in theorie verregaande consequenties. Wanneer hij één enkel molecuul, creb genaamd, blokkeerde, konden de twee neuronen niet meer met elkaar communiceren. creb bleek genen aan te zetten die nodig zijn voor het produceren van eiwitten, die op hun beurt een blijvende verbinding tussen neuronen tot stand brengen. Precies wat nodig is voor een langetermijngeheugen! Zonder creb bleek er geen langetermijngeheugen mogelijk. creb als geheugenmolecuul. Dat was een revolutionaire ontdekking, waarvoor hij in 2000 samen met twee collega’s de Nobelprijs voor geneeskunde kreeg.
Daarna ontdekte Kandel een ander molecuul dat de werking van creb juist onderdrukt. Toegediend aan muizen, bleken deze net geleerde taken bijna gelijk weer te vergeten. Een vergeetmolecuul, kortom.
Kandel realiseerde zich welke mogelijkheden geheugen- en vergeetmoleculen bij mensen kunnen hebben, en begon samen met enkele anderen het bedrijf Memory Pharmaceuticals. Dat bedrijf legt zich toe op het ontwikkelen van een geheugenpil. De geheugenpil zou de vorming van creb moeten bevorderen en zo een uitkomst zijn voor mensen die kampen met geheugenverlies. Uiteraard zitten aan dit soort toepassingen wel nog allerlei ethische haken en ogen.
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, februari 2006
De menselijke hersenen bevatten ongeveer net zoveel hersencellen als het aantal sterren in de Melkweg: zo’n honderd miljard. Het aantal verbindingen tussen die hersencellen is nog eens duizend tot tienduizend maal zo groot, veel meer dan het aantal sterrenstelsels in het hele universum. De hersenen zijn een universum in zichzelf. Ze maken dat we ‘ik’ kunnen zeggen, dat we ons bewust zijn van wie we zijn. Ze kunnen de prachtigste muziekstukken componeren, de ingewikkeldste wiskunde bedenken en de voet van een voetballer aansturen, die een vrije trap met een prachtige boog in het doel schiet. Maar ze kunnen ook op hol slaan en manisch, depressief of schizofreen worden. Of alle herinneringen verliezen.
Het is nauwelijks te bevatten dat aan de basis van dat alles de elektrische en chemische communicatie tussen hersencellen staat. Een vurende hersencel, ofwel neuron, stuurt een elektrisch signaal naar zijn uitlopers. Aan het uiteinde gekomen, wordt een chemisch signaal opgewekt: er komen neurotransmitters vrij. Die neurotransmitters diffunderen door een nauwe spleet, de synaps, van het ene naar het andere neuron. Het ontvangende neuron pikt die chemische stofjes met specifieke receptoren weer op. Zo praat het ene neuron met het andere, en meestal met vele andere tegelijk. Althans, dat is het simpele beeld uit de schoolboekjes.
Maar hoe meer je op de chemische communicatie inzoomt, hoe ingewikkelder het in elkaar blijkt te zitten. In het uiteinde van een neuron zitten een soort blaasjes vol met neurotransmitters. Als er een elektrisch signaal aankomt, maken een boel van die blaasjes contact met het uiteinde van het neuron. Hun wanden versmelten met elkaar, zodat elk blaasje eigenlijk wordt geopend. Zo komen de neurotransmitters vrij. We kennen momenteel een kleine honderd van die chemische stofjes. De chemische overdracht of synaptische vertraging duurt minder dan een milliseconde, wat snel lijkt, maar toch traag is vergeleken met hoe snel de huidige computers hun bits en bytes verwerken.
Truc met de vallende munt
“Er is een mooi experiment om die synaptische vertraging te laten zien”, zegt Reinhard Jahn, onderzoeksdirecteur neurobiologie bij het Max Planck Instituut voor biofysische chemie in het Duitse Göttingen. “Neem een munt in je hand. Vraag nu iemand anders om zijn hand direct onder de jouwe te plaatsen. De truc is nu dat die ander moet proberen om de munt te vangen, nadat jij die hebt laten vallen. Dat is onmogelijk. Zodra jij de munt laat vallen, moet de ander de waarneming van dat vallen eerst in zijn hersenen verwerken en vervolgens de spieren van zijn hand aansturen voor het vangen. Die signalen gaan langs zoveel neuronen dat de chemische vertraging tussen de synapsen het onmogelijk maakt de munt te vangen.”
Het proces van het vrij laten komen van de neurotransmitters uit de synaptische blaasjes, exocytose geheten, is essentieel, want er kan zo vreselijk veel bij misgaan. Bioloog en chemicus Jahn is een wereldexpert op het gebied van exocytose. “De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen is de elementaire bouwsteen van alle hersenfuncties, van het hele menselijke bewustzijn. Aan de kant van het zendende neuron speelt exocytose de hoofdrol. Aan de kant van het ontvangende neuron spelen de receptoren voor neurotransmitters, zeg maar de ontvangers van het chemische signaal, de hoofdrol. Als we beide processen begrijpen dan kunnen we hopelijk ook veel beter ingrijpen in de chemie van het brein.”
Precies op het terrein van het begrijpen van de exocytose hebben biochemici de afgelopen tien jaar belangrijke bijdragen geleverd. Jahn: “Exocytose wordt geregeld door een gigantische supramoleculaire machine. In die machine werken honderden eiwitten en duizenden lipiden. We weten nu dat in elk synapsuiteinde ongeveer honderd synaptische blaasjes zitten. Hoeveel blaasjes er bij een elektrische trigger fuseren met het membraan, verschilt nogal.”
Eén blaasje meet gemiddeld 42 nanometer in diameter en in elk zitten enige duizenden transmittermoleculen. Maar een blaasje fuseert niet vanzelf met de wand. “Daar zijn eiwitten voor nodig”, legt Jahn uit. “De snare-eiwitten. Die knappen het vuile werk op. Zelf worden ze gerecycled door weer een ander eiwit. De ontdekking van die snare’s zou trouwens nog wel eens een Nobelprijs kunnen opleveren.”
Na het versmelten met het membraan, worden er nieuwe blaasjes uit het membraan gevormd. Dat is het omgekeerde proces van exocytose: de endocytose. En ze worden opnieuw gevuld met neurotransmitters. Jahn: “Voordat de blaasjes klaar zijn voor hergebruik duurt wel een seconde of dertig tot veertig. Een langzaam proces dus. Niet alle blaasjes worden trouwens tegelijk gebruikt voor de chemische communicatie tussen neuronen.”
Het ontwikkelen van een volledig mechanistisch en kwantitatief moleculair model voor het exocytoseproces is het grote doel voor Jahn. “Het is moeilijk te zeggen wat de grootste onbekende hierin is. Het ontbreekt ons vooral aan kwantitatieve informatie. Hoeveel molecuulcomplexen zijn er nodig? Hoe beïnvloedt hun aantal het praten van neuronen met elkaar? Hoe zijn ze georganiseerd? Wat de snare’s doen, begrijpen we inmiddels vrij goed, maar niet hoe het volledige proces wordt gereguleerd.”
Meettechnieken
Gelukkig komen er steeds betere analytisch-chemische technieken om die exocytose zo precies mogelijk in plaats en tijd te meten, meestal in diercellen als modelsystemen.
Jahn: “Exocytose is een van de snelste processen in de cel, en dus hebben we snelle meettechnieken nodig. Met koolstof micro-elektroden van vijf micrometer diameter kunnen we het loslaten van de neurotransmitters tijdens de exocytose meten aan een enkele cel. We plaatsen de elektrode dichtbij het celmembraan van de synaps. In feite meten we de oxidatie of reductie van de vrijgekomen transmitter aan het oppervlak van de koolstofelektrode. Fuseert een synaptisch blaasje met het membraan, dan komen de neurotransmitters vrij en meten we een oxidatiestroompje in de elektrode. De methode is heel gevoelig voor de hoeveelheid neurotransmitter en kan het proces in fracties van een milliseconde volgen. Maar de methode werkt alleen bij die klasse van neurotransmitters die gemakkelijk geoxideerd kunnen worden.”
Een andere manier om exocytose te bestuderen is het aanbrengen van fluorescerende kleurstof in de synaptische blaasjes. “Binnenin het blaasje heerst normaal een zure omgeving”, vertelt Jahn. “Maar bij exocytose wordt de inhoud snel geneutraliseerd. Als dat gebeurt, begint de aangebrachte kleurstof te fluoresceren. Met een speciale microscooptechniek kunnen we dat proces volgen. Tot nu toe is het probleem dat we geen individuele blaasjes kunnen zien. We werken er echter hard aan om met een nieuwe microscooptechniek wel één afzonderlijk blaasje te kunnen bekijken.”
Jahn’s onderzoeksgroep gebruikt verder ook kunstmatig gemaakte synaptische blaasjes. “Om te bewijzen dat een bepaald eiwit een bepaalde taak doet, moet je het geïsoleerd bestuderen. We stoppen eiwitten in kunstmatige membranen en proberen de exocytose te reconstrueren door kunstmatige blaasjes met een kunstmatig membraan te laten fuseren. Willen ze inderdaad met elkaar fuseren, en zo ja, hoe gebeurt dat? Welke eiwitten helpen bij de fusie? Ook de membranen zelf bestuderen we in isolatie. Alles volgens de reductionistische aanpak: bestudeer een eenvoudig subsysteem en relateer dat aan een biologische functie in het grotere geheel.” En dat moet met een interdisciplinair team van biologen, chemici en fysici gebeuren, benadrukt de neurobioloog. “Zo doen we dat in mijn onderzoeksgroep ook.”
Nieuwe medicijnen
Het begrijpen van de chemische communicatie tussen neuronen, is één doel. Het met medicijnen ingrijpen in dit proces is een ander doel: controle krijgen over het proces van exocytose. “Hoe krijgen we controle over exocytose? is een van de grote openliggende vragen”, zegt Jahn. “Als we eerlijk zijn, moeten we zeggen dat de huidige medicijnen in de neurologie en psychiatrie dicht aanliggen tegen voodoowetenschap. We begrijpen gewoon niet hoe ze werken.” Antidepressiva, bijvoorbeeld, werken maar bij zo’n vijftig tot zestig procent van de patiënten. Bij een boel mensen werken ze dus niet. En een placebomedicijn werkt ook al bij 35 procent.
De meeste geneesmiddelen zijn gericht op de receptoren van het ontvangende neuron, dus op de postsynaptische kant. “Maar recentere middelen zoals prozac”, zegt Jahn, “werken op de presynaptische kant, dus aan het uiteinde van het zendende neuron, precies waar de exocytose plaatsvindt. Niemand begrijpt waarom prozac als antidepressivum werkt en waarom een hoge concentratie van de neurotransmitter serotonine mensen blijer maakt. Het geneesmiddelenonderzoek dat zich richt op de presynaptische kant bevindt zich nog in de kinderschoenen, maar zal de komende tien jaar flink groeien. Wat daar zal uitkomen, kan ik absoluut niet voorspellen.”
Ook bij niet-psychiatrische hersenaandoeningen zoals herseninfarcten, zijn nieuwe medicijnen die ingrijpen op de chemische communicatie een noodzaak. Jahn: “Bij een herseninfarct krijgen bepaalde hersencellen te weinig zuurstof. Op dat moment laten ze in heel korte tijd een zeer hoge concentratie van neurotransmitters los. Een tot twee weken later beginnen ze af te sterven. Misschien heeft het een met het ander te maken. Op een of andere manier willen we in dat proces ingrijpen om het afsterven te voorkomen. Dat is van immens belang.”
Anderhalf pond denkvlees
De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen mag dan wel de elementaire bouwsteen in de hersenen zijn, uiteindelijk gaat het toch om hoe alle honderd miljard hersencellen met elkaar samenwerken. De grote uitdaging voor de 21e eeuw is daarom om van het niveau van de enkele hersencel weer terug te gaan naar de complete hersenen met al hun prachtige vermogens, maar ook met hun nukken en grillen. Hoe ontstaat het bewustzijn? Hoe ontstaan geheugen, waarneming, taal en emotie? Hoe kunnen de hersenen leren?
Hoe de antwoorden op deze vragen ook precies uitvallen, één ding is al duidelijk: het begrip ‘ziel’ of ‘geest’ – een of andere niet-materiële entiteit die los staat van de hersenen – is overbodig geworden. We mogen dan nog lang niet alles weten over het functioneren van de hersenen, meer dan een kleine anderhalf pond denkvlees is er niet. Dat is een belangrijke – hoewel nogal geruisloos verlopen – revolutie die het moderne hersenonderzoek teweeg heeft gebracht.
Daarmee is het de derde wetenschappelijke revolutie die de mens noopt tot grote bescheidenheid, of we dat nou leuk vinden of niet. Copernicus heeft de mensheid laten zien dat de aarde niet het centrum van het universum is. Darwin haalde de veronderstelde unieke positie van de mens onderuit door hem te plaatsen in een lange evolutionaire reeks van levende organismen, waarvan de aap de meest recente voorvader is. Het hersenonderzoek laat zien dat wat wij zo lang gekoesterd hebben als ‘geest’ of ‘ziel’, niet meer is dan een illusie. En bewustzijn is niets anders dan wat alle met elkaar communicerende hersencellen samen produceren. Maar dat doet niets af aan wat mensen zelf denken en voelen. De zon zien opkomen in de bergen, blijft even mooi als het altijd is geweest, ook als we precies begrijpen hoe hersencellen met elkaar praten.
[Kader:]
Het geheugenmolecuul
Dat je met diermodellen kunt begrijpen hoe menselijk leren werkt, daar geloofden biologen en psychologen in de jaren vijftig en zestig niets van. Menselijk leren, dat was uniek voor mensen. Neurobioloog Eric Kandel had een heel andere opvatting. Op evolutionaire gronden was hij er van overtuigd dat er aspecten van het menselijk leervermogen moesten zijn die op moleculair en cellulair niveau identiek zijn bij lagere diersoorten. De mens is immers geëvolueerd uit veel eenvoudiger organismen.
Kandel koos uiteindelijk voor de zeeslak als eenvoudig diermodel. Het beestje heeft slechts twintigduizend neuronen, tegenover honderd miljard bij de mens. Dat maakt het onderzoek een stuk makkelijker. Hij bestudeerde vervolgens hoe eenvoudige kieuwreflexen van de zeeslak konden veranderen door verschillende, primitieve vormen van leren, onder andere via de klassieke truc van de conditionering. Zo ontdekte hij dat tijdens het leren de synaptische verbinding tussen zenuwcellen werd versterkt. Hoe meer oefening, hoe sterker de verbinding wordt, dat wil zeggen: hoe gemakkelijker de elektrochemische communicatie verloopt. Kandel slaagde er zo als een van de eersten in om een moleculair model voor een eenvoudig geheugen op te stellen.
Via experimenten aan slechts twee neuronen uit de zeeslak ontdekte hij nog veel meer, met in theorie verregaande consequenties. Wanneer hij één enkel molecuul, creb genaamd, blokkeerde, konden de twee neuronen niet meer met elkaar communiceren. creb bleek genen aan te zetten die nodig zijn voor het produceren van eiwitten, die op hun beurt een blijvende verbinding tussen neuronen tot stand brengen. Precies wat nodig is voor een langetermijngeheugen! Zonder creb bleek er geen langetermijngeheugen mogelijk. creb als geheugenmolecuul. Dat was een revolutionaire ontdekking, waarvoor hij in 2000 samen met twee collega’s de Nobelprijs voor geneeskunde kreeg.
Daarna ontdekte Kandel een ander molecuul dat de werking van creb juist onderdrukt. Toegediend aan muizen, bleken deze net geleerde taken bijna gelijk weer te vergeten. Een vergeetmolecuul, kortom.
Kandel realiseerde zich welke mogelijkheden geheugen- en vergeetmoleculen bij mensen kunnen hebben, en begon samen met enkele anderen het bedrijf Memory Pharmaceuticals. Dat bedrijf legt zich toe op het ontwikkelen van een geheugenpil. De geheugenpil zou de vorming van creb moeten bevorderen en zo een uitkomst zijn voor mensen die kampen met geheugenverlies. Uiteraard zitten aan dit soort toepassingen wel nog allerlei ethische haken en ogen.
Stenenchemie keert planeten binnenstebuiten
Hoe zien planeten er van binnen uit? Erin kijken lukt niet, en gesteente uit het inwendige plukken, gaat ook al niet. Stenen onder hoge druk en temperatuur samenpersen biedt uitkomst. De crux zit in de chemie van lava’s en mineralen.
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 18 augustus 2007
“Hou je van koken? is een van de eerste vragen die we aan onze sollicitanten stellen”, zegt petroloog – zeg maar stenenkundige – Wim van Westrenen. Aan de Vrije Universiteit van Amsterdam bestudeert hij de chemie van gesteenten diep in de aarde, de maan, maar ook in andere planeten. De grote vraag is hoe ze er van binnen uitzien. Om dat te onderzoeken, mengt hij gesteentepoeder met een keur aan chemische elementen, stopt het mengsel in een hogedrukpers, en perst het bij een hoge temperatuur en druk samen. Moderne alchemie, lijkt het wel. “Vandaar misschien dat de meeste collega’s in dit vak inderdaad van koken houden”, zegt van Westrenen.
We weten verrassend weinig van hoe de aarde er binnenin uitziet, en nog minder van de maan. Wat we wel weten is dat we de aarde kunnen onderverdelen in de korst (tot vijftig kilometer diepte), de mantel (van vijftig tot 2900 kilometer) en de kern (van 2900 tot 6371 kilometer). De aardkorst is vast, terwijl de mantel daar net onder stroperig is. Daarop bewegen de aardschollen die, als ze tegen elkaar aan botsen, aardbevingen veroorzaken. Maar het grootste deel van de mantel, onder de stroperige laag, is vast.
Zowel de aardkorst als de mantel bestaan voor het merendeel uit silicaten. Silicaten worden gevormd uit SiO4-tetraëders die in verschillende mineralen op een verschillende manier met elkaar zijn verbonden. Olivijn ((Mg,Fe)2SiO4), granaat (algemene formule A3B2(SiO4)3) en pyroxeen (algemene formule XY(Si,Al)2O6) zijn verreweg de meeste voorkomende mantelgesteenten.
“Silicaten zijn zo belangrijk in de korst en de mantel”, zegt van Westrenen, “omdat silicium en zuurstof twee van de meest voorkomende elementen in de aarde zijn, en omdat de silicium-zuurstof-binding een van de sterkste bindingen is tussen een kation en zuurstof.” Geologen kunnen 98,59% van alle gesteenten op aarde verklaren met acht hoofdelementen: zuurstof, silicium, ijzer, magnesium, calcium, kalium, natrium en aluminium. Alle andere natuurlijke elementen zijn voor geologen ‘sporenelementen’, omdat ze in kleinere hoeveelheden voorkomen.
Waar geologen van de korst en het bovenste deel van de mantel gesteentemonsters hebben, ontbreekt enig materiaal van de kern. Toch hebben ze afgeleid dat de buitenkern vloeibaar moet zijn, vanwege de hoge temperatuur, en de binnenkern vast. Dat de binnenkern vast is, komt omdat als je vanuit de buitenkern naar binnen gaat, de druk het wint van de temperatuur. Weliswaar neemt de temperatuur toe, maar het smeltpunt van ijzerverbindingen neemt nog sneller toe met de toenemende druk.
Van Westrenen: “Ongeveer vijfentachtig procent van de kern bestaat uit ijzer. Op grond van de samenstelling van meteorieten, denken we dat er vijf procent nikkel in zit. De overige tien procent moet bestaan uit lichtere elementen dan ijzer. Dat weten we uit metingen aan seismologische golven die dwars door de aarde heen gaan. Daaruit concluderen we dat de dichtheid van de kern lager is dan die van ijzer-nikkelverbindingen.”
Lava invriezen
Maar van Westrenen en zijn collega’s willen meer details weten over de stenenchemie in de mantel en de kern. Om daar achter te komen, staan ze voor een terugrekenprobleem. “We vinden allerlei lavasoorten aan het aardoppervlak. Die kunnen we chemisch analyseren. Nu is de grote vraag op welke diepte, en bij welke temperatuur en druk die lava is gevormd, en welke chemische samenstelling het op die diepte had. Idealiter willen we bij elke druk en bij elke temperatuur bepalen wat de chemische en fysische eigenschappen zijn.”
Op grond van deze chemische analyse maakt van Westrenen een gesteentemonster dat niet groter is dan een kubieke millimeter. Met de nieuwe hogedrukpers, die in juni op de VU arriveert, kan hij het monster fijn persen bij een druk van maximaal 250.000 atmosfeer. Voor de aarde komt deze druk overeen met zevenhonderd kilometer diepte, net in het onderste deel van de aardmantel. De druk in het centrum van de maan – 50.000 atmosfeer – haalt de pers zelfs met gemak. De temperatuur van het gesteente kan de stenenonderzoeker opkrikken tot 2370 graden Celsius.
Afhankelijk van bij welke temperatuur het persexperiment plaatsvindt, varieert de snelheid van de chemische reacties. Experimenten variëren in tijdsduur van tien minuten bij snelle reacties, tot een maand bij langzame reacties. Na afloop van het experiment koelt het gesteentemonster binnen twee seconden af tot beneden de honderd graden Celsius. Voor sommige mineralen en reacties is dat snel genoeg om als het ware een ingevroren toestand te krijgen van de samenstelling van het gesteente bij hoge druk en temperatuur. Het vloeibare deel verandert dan in een glasvormige toestand.
Na het experiment wordt het gesteentemonster doormidden gezaagd, gepolijst en onder de microscoop bekeken. Van Westrenen: “Aan de kleurcontrasten kunnen we dan zien welke stukjes glas zijn – die waren in de pers vloeibaar, zeg maar lava – en welke stukjes mineraal zijn – die waren in de pers ook al vast. Met een elektronenmicroscoop bepalen we vervolgens hoeveel van elk hoofdelement er in zat in het vloeibare deel en hoeveel in het vaste deel. Om de concentraties van sporenelementen te meten, schieten we ofwel met een laser, ofwel met snelle ionen stukjes van het monster af. De brokstukken analyseren we met een massaspectrometer.”
Voor mineralen en reacties die niet door de snelle afkoeling worden ‘ingevroren’, is een geavanceerdere methode nodig. Daarvoor kijken de onderzoekers met röntgenstraling tijdens het persexperiment door het gesteentemonster heen. Zo achterhalen ze hoeveel lava er is, dat wil zeggen gesmolten materiaal, en hoeveel vast mineraal.
Onvindbaar perovskiet
Dit soort hogedrukexperimenten leert onderzoekers op welke diepte belangrijke faseovergangen optreden. Bij veel mineralen gaat bij toenemende druk en temperatuur de ene kristalstructuur over in een andere, dichtere structuur, terwijl de chemische structuurformule hetzelfde blijft.
Van Westrenen: “Zo heeft men uit hogedrukexperimenten bepaald dat olivijn op 410 kilometer diepte overgaat in spinel. En op 520 kilometer verandert die spinelstructuur in een derde ruimtelijke variant van olivijn. Op 660 kilometer diepte gebeurt er dan een echte chemische reactie. Dan gaat olivijn over in perovskiet en periklaas. Perovskiet is (Mg,Fe)SiO3, en periklaas is ((Mg,Fe)O). Het bijzondere van perovskiet is dat het het meest voorkomende silicaat in de aarde is, maar dat je het nergens in een museum vindt. Het is namelijk niet stabiel bij kamertemperatuur. Soms lukt het om perovskiet in ingevroren toestand uit het persexperiment te halen, maar het is zo instabiel dat als je een tikje geeft tegen het materiaal, het perovskiet uit elkaar valt.”
Al deze overgangen leveren dichtheidssprongen op die seismologen ook terugvinden in de manier waarop aardbevingsgolven door de aarde bewegen. Zo kunnen petrologen hun resultaten verifiëren met seismologische gegevens.
Met zijn nieuwe hogedrukpers wil van Westrenen de chemie van de aardmantel verder ontrafelen. Ook gaat hij maanlava samenpersen om een antwoord te vinden op de grote vragen over de samenstelling van de maan: “Hoe dik zijn de korst en de mantel? Is de mantel homogeen of gelaagd? We denken dat de maan een kleine kern heeft, maar is die kern vloeibaar of vast, en hoe klein is de kern precies?”
En samen met buitenlandse collega’s publiceerde hij onlangs (Science, 31 mei 2007) een artikel waarin ze met een hogedrukpers hebben aangetoond dat de kern van de planeet Mars vloeibaar moet zijn. “Wat ik doe, gaat over gedrag van gesteenten binnenin planeten en manen, maar eigenlijk is het vooral chemie, en dat vind ik het leukste.”
Internet
Homepage van Wim van Westrenen: http://www.geo.vu.nl/~wvwest/
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 18 augustus 2007
“Hou je van koken? is een van de eerste vragen die we aan onze sollicitanten stellen”, zegt petroloog – zeg maar stenenkundige – Wim van Westrenen. Aan de Vrije Universiteit van Amsterdam bestudeert hij de chemie van gesteenten diep in de aarde, de maan, maar ook in andere planeten. De grote vraag is hoe ze er van binnen uitzien. Om dat te onderzoeken, mengt hij gesteentepoeder met een keur aan chemische elementen, stopt het mengsel in een hogedrukpers, en perst het bij een hoge temperatuur en druk samen. Moderne alchemie, lijkt het wel. “Vandaar misschien dat de meeste collega’s in dit vak inderdaad van koken houden”, zegt van Westrenen.
We weten verrassend weinig van hoe de aarde er binnenin uitziet, en nog minder van de maan. Wat we wel weten is dat we de aarde kunnen onderverdelen in de korst (tot vijftig kilometer diepte), de mantel (van vijftig tot 2900 kilometer) en de kern (van 2900 tot 6371 kilometer). De aardkorst is vast, terwijl de mantel daar net onder stroperig is. Daarop bewegen de aardschollen die, als ze tegen elkaar aan botsen, aardbevingen veroorzaken. Maar het grootste deel van de mantel, onder de stroperige laag, is vast.
Zowel de aardkorst als de mantel bestaan voor het merendeel uit silicaten. Silicaten worden gevormd uit SiO4-tetraëders die in verschillende mineralen op een verschillende manier met elkaar zijn verbonden. Olivijn ((Mg,Fe)2SiO4), granaat (algemene formule A3B2(SiO4)3) en pyroxeen (algemene formule XY(Si,Al)2O6) zijn verreweg de meeste voorkomende mantelgesteenten.
“Silicaten zijn zo belangrijk in de korst en de mantel”, zegt van Westrenen, “omdat silicium en zuurstof twee van de meest voorkomende elementen in de aarde zijn, en omdat de silicium-zuurstof-binding een van de sterkste bindingen is tussen een kation en zuurstof.” Geologen kunnen 98,59% van alle gesteenten op aarde verklaren met acht hoofdelementen: zuurstof, silicium, ijzer, magnesium, calcium, kalium, natrium en aluminium. Alle andere natuurlijke elementen zijn voor geologen ‘sporenelementen’, omdat ze in kleinere hoeveelheden voorkomen.
Waar geologen van de korst en het bovenste deel van de mantel gesteentemonsters hebben, ontbreekt enig materiaal van de kern. Toch hebben ze afgeleid dat de buitenkern vloeibaar moet zijn, vanwege de hoge temperatuur, en de binnenkern vast. Dat de binnenkern vast is, komt omdat als je vanuit de buitenkern naar binnen gaat, de druk het wint van de temperatuur. Weliswaar neemt de temperatuur toe, maar het smeltpunt van ijzerverbindingen neemt nog sneller toe met de toenemende druk.
Van Westrenen: “Ongeveer vijfentachtig procent van de kern bestaat uit ijzer. Op grond van de samenstelling van meteorieten, denken we dat er vijf procent nikkel in zit. De overige tien procent moet bestaan uit lichtere elementen dan ijzer. Dat weten we uit metingen aan seismologische golven die dwars door de aarde heen gaan. Daaruit concluderen we dat de dichtheid van de kern lager is dan die van ijzer-nikkelverbindingen.”
Lava invriezen
Maar van Westrenen en zijn collega’s willen meer details weten over de stenenchemie in de mantel en de kern. Om daar achter te komen, staan ze voor een terugrekenprobleem. “We vinden allerlei lavasoorten aan het aardoppervlak. Die kunnen we chemisch analyseren. Nu is de grote vraag op welke diepte, en bij welke temperatuur en druk die lava is gevormd, en welke chemische samenstelling het op die diepte had. Idealiter willen we bij elke druk en bij elke temperatuur bepalen wat de chemische en fysische eigenschappen zijn.”
Op grond van deze chemische analyse maakt van Westrenen een gesteentemonster dat niet groter is dan een kubieke millimeter. Met de nieuwe hogedrukpers, die in juni op de VU arriveert, kan hij het monster fijn persen bij een druk van maximaal 250.000 atmosfeer. Voor de aarde komt deze druk overeen met zevenhonderd kilometer diepte, net in het onderste deel van de aardmantel. De druk in het centrum van de maan – 50.000 atmosfeer – haalt de pers zelfs met gemak. De temperatuur van het gesteente kan de stenenonderzoeker opkrikken tot 2370 graden Celsius.
Afhankelijk van bij welke temperatuur het persexperiment plaatsvindt, varieert de snelheid van de chemische reacties. Experimenten variëren in tijdsduur van tien minuten bij snelle reacties, tot een maand bij langzame reacties. Na afloop van het experiment koelt het gesteentemonster binnen twee seconden af tot beneden de honderd graden Celsius. Voor sommige mineralen en reacties is dat snel genoeg om als het ware een ingevroren toestand te krijgen van de samenstelling van het gesteente bij hoge druk en temperatuur. Het vloeibare deel verandert dan in een glasvormige toestand.
Na het experiment wordt het gesteentemonster doormidden gezaagd, gepolijst en onder de microscoop bekeken. Van Westrenen: “Aan de kleurcontrasten kunnen we dan zien welke stukjes glas zijn – die waren in de pers vloeibaar, zeg maar lava – en welke stukjes mineraal zijn – die waren in de pers ook al vast. Met een elektronenmicroscoop bepalen we vervolgens hoeveel van elk hoofdelement er in zat in het vloeibare deel en hoeveel in het vaste deel. Om de concentraties van sporenelementen te meten, schieten we ofwel met een laser, ofwel met snelle ionen stukjes van het monster af. De brokstukken analyseren we met een massaspectrometer.”
Voor mineralen en reacties die niet door de snelle afkoeling worden ‘ingevroren’, is een geavanceerdere methode nodig. Daarvoor kijken de onderzoekers met röntgenstraling tijdens het persexperiment door het gesteentemonster heen. Zo achterhalen ze hoeveel lava er is, dat wil zeggen gesmolten materiaal, en hoeveel vast mineraal.
Onvindbaar perovskiet
Dit soort hogedrukexperimenten leert onderzoekers op welke diepte belangrijke faseovergangen optreden. Bij veel mineralen gaat bij toenemende druk en temperatuur de ene kristalstructuur over in een andere, dichtere structuur, terwijl de chemische structuurformule hetzelfde blijft.
Van Westrenen: “Zo heeft men uit hogedrukexperimenten bepaald dat olivijn op 410 kilometer diepte overgaat in spinel. En op 520 kilometer verandert die spinelstructuur in een derde ruimtelijke variant van olivijn. Op 660 kilometer diepte gebeurt er dan een echte chemische reactie. Dan gaat olivijn over in perovskiet en periklaas. Perovskiet is (Mg,Fe)SiO3, en periklaas is ((Mg,Fe)O). Het bijzondere van perovskiet is dat het het meest voorkomende silicaat in de aarde is, maar dat je het nergens in een museum vindt. Het is namelijk niet stabiel bij kamertemperatuur. Soms lukt het om perovskiet in ingevroren toestand uit het persexperiment te halen, maar het is zo instabiel dat als je een tikje geeft tegen het materiaal, het perovskiet uit elkaar valt.”
Al deze overgangen leveren dichtheidssprongen op die seismologen ook terugvinden in de manier waarop aardbevingsgolven door de aarde bewegen. Zo kunnen petrologen hun resultaten verifiëren met seismologische gegevens.
Met zijn nieuwe hogedrukpers wil van Westrenen de chemie van de aardmantel verder ontrafelen. Ook gaat hij maanlava samenpersen om een antwoord te vinden op de grote vragen over de samenstelling van de maan: “Hoe dik zijn de korst en de mantel? Is de mantel homogeen of gelaagd? We denken dat de maan een kleine kern heeft, maar is die kern vloeibaar of vast, en hoe klein is de kern precies?”
En samen met buitenlandse collega’s publiceerde hij onlangs (Science, 31 mei 2007) een artikel waarin ze met een hogedrukpers hebben aangetoond dat de kern van de planeet Mars vloeibaar moet zijn. “Wat ik doe, gaat over gedrag van gesteenten binnenin planeten en manen, maar eigenlijk is het vooral chemie, en dat vind ik het leukste.”
Internet
Homepage van Wim van Westrenen: http://www.geo.vu.nl/~wvwest/
Subscribe to:
Posts (Atom)