Biologen hebben een volledige kaart gemaakt van alle neurale verbindingen in de hersenen van een fruitvlieglarve. Het werk is een opstapje naar de beschrijving van de hersenen van complexere dieren zoals muizen en mensen.
Een internationaal team wetenschappers heeft de verbindingen in de hersenen van een fruitvlieglarve volledig in kaart gebracht. Het resultaat is de grootste volledige hersenkaart, ook wel een connectoom genoemd, die tot nog toe gemaakt is.
Zo’n kaart stelt onderzoekers in staat te begrijpen hoe signalen zich door de hersenen van de fruitvlieg verplaatsen. Ook kunnen ze ermee achterhalen hoe verschillende hersengebieden met elkaar wisselwerken, en uiteindelijk hoe gedrag op neuraal niveau ontstaat.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
‘Alle neuronen van de hersenen zijn gereconstrueerd en alle verbindingen geanalyseerd’, zegt hersenonderzoeker Gáspár Jékely van de Universiteit van Exeter in het Verenigd Koninkrijk, die niet bij het onderzoek betrokken was. Hij noemt het werk ‘erg belangrijk’.
Connectomen
Hersenen bestaan grotendeels uit zenuwcellen die neuronen worden genoemd. Deze zijn met elkaar verbonden door lange vertakkingen. Op elkaar aangesloten neuronen kunnen signalen aan elkaar doorgeven op knooppunten, synapsen genaamd. Het ene neuron geeft daar een chemische stof af, een neurotransmitter, die door de andere cel ontvangen wordt. De volledige kaart van de neuronen in een brein inclusief synapsen wordt een connectoom genoemd.
Biologen hebben het connectoom van een handvol relatief eenvoudige dieren in kaart gebracht. De eerste was de worm C. elegans, die slechts 302 neuronen heeft, die in de jaren tachtig in kaart werden gebracht. Recenter, in 2020, beschreven Jékely en zijn collega’s de ruim 1.500 neuronen in het connectoom van een zeewormlarve genaamd Platynereis dumerilii.
Andere onderzoeksgroepen werken aan het connectoom van dieren met grotere hersenen, zoals muizen en mensen. Omdat de datasets immens groot zijn, is het reconstrueren van deze connectomen een uitdaging.
544 duizend verbindingen
Het nieuwe connectoom, in kaart gebracht door zoöloog Marta Zlatic van de Universiteit van Cambridge en haar collega’s, is dat van de larve van een fruitvlieg, Drosophila melanogaster. Dit is een standaard laboratoriumdier, waarvan de biologie tot in detail bekend is. Zlatic wilde niet worden geïnterviewd.
Het team nam het brein van een zes uur oude fruitvlieglarve, sneed het in 4841 plakjes, en scande die met een elektronenmicroscoop met een hoge resolutie. Vervolgens digitaliseerden de onderzoekers de beelden, en voegden ze ze nauwgezet samen tot een driedimensionale kaart.
Met hulp van een computer bestudeerden ze de beelden, zodat ze de neuronen van plak tot plak konden aanwijzen, en alle synapsen konden thuisbrengen. De resulterende kaart bevat 3.013 neuronen en zo’n 544 duizend synapsen.
‘Wat hier verbazingwekkend is, is het gevoel van voltooiing’, zegt hersenonderzoeker Catherine Dulac van de Harvard-universiteit in de VS. De gegevens onthullen de diepe logica van de verbindingen van de neuronen, zegt ze.
Hormonen
Het in kaart brengen van enkel synapsen geeft alleen niet het volledige beeld, zegt hersenwetenschapper Scott Emmons van het Albert Einstein College of Medicine in New York. Hij produceerde in 2019 connectomen voor beide geslachten van C. elegans. Neuronen kunnen ook met elkaar praten via traag vrijkomende chemicaliën zoals hormonen. Ook zijn er andere verbindingen tussen de cellen, de zogenaamde gap junctions. Met al deze zaken moet je rekening houden, zegt Emmons. Zijn C. elegans-connectomen brengen wel gap junctions in kaart, maar het nieuwe connectoom laat alleen synapsen zien.
In totaal identificeerde het team van Zlatic 90 soorten neuronen, elk met een eigen vorm, patroon van vertakkingen en functie. Het team beschreef ook de reikwijdte van de verbindingen in het hele brein. De meeste zintuiglijke informatie die de hersenen van de vlieg binnenkomt, verspreidt zich zeer snel, aldus Dulac. De informatie gaat in slechts drie stappen van hersencel naar hersencel om uitgangsneuronen te bereiken die het lichaam helpen besturen. Daarnaast ontving 62 procent van de neuronen informatie van alle zintuigen van de larve.
Hoewel de details verschillen, zijn deze algemene patronen vergelijkbaar met die in andere connectomen zoals dat van C. elegans.
Volgende stap: zoogdierhersenen
In een afzonderlijke studie hebben hersenonderzoeker Alexander Kunin van het Baylor College of Medicine in Houston, Texas, en zijn collega’s een methode ontwikkeld om een computer groepen onderling verbonden neuronen aan te laten wijzen. Zij pasten deze methode toe op een bestaand genoom van ongeveer tweederde van de hersenen van een volwassen fruitvlieg. Sommige groepen van onderling verbonden neuronen omvatten duizenden cellen. In die groepen waren ook weer kleinere groepjes van neuronen te vinden.
De volgende grote mijlpaal is het in kaart brengen van de hersenen van een zoogdier: eerst een muis en uiteindelijk een mens. Gezien de snelheid waarmee de computertechnologie zich ontwikkelt, denken sommige onderzoekers dat de muis binnen het volgende decennium binnen bereik zal zijn.
Het menselijk brein is een nog grotere uitdaging. Daarvoor is een dataset nodig die duizend keer groter is dan die van de muis, die ook al gigantisch is. Het is ook niet duidelijk wat we van ons connectoom kunnen leren zonder eerst eenvoudiger hersenen zoals die van de fruitvlieglarve in detail te begrijpen.
Hoe werkt ons denken?
Maar op de lange termijn zou een menselijk connectoom kunnen helpen onze geest en ons gedrag te begrijpen. Zo zouden we ook de biologische wortels van psychologische aandoeningen op het spoor kunnen komen. ‘We hebben te maken met zúlke grote vragen’, zegt Kunin, ‘Waardoor worden neurodegeneratieve ziekten veroorzaakt? Hoe werkt ons denken? Dat zijn zulke grote, gecompliceerde vragen, dat het kunnen overzien van een heel brein volgens mij een deel van het antwoord moet zijn.’
