Het legt de basis voor verder onderzoek naar meer complexe hersenen – zoals die van mensen – en kan bijdragen aan het ontwikkelen van nieuwe behandelingen voor hersenaandoeningen.
Wetenschappers hebben voor het eerst een gedetailleerde kaart gemaakt van de verbindingen tussen neuronen en synapsen in de hersenen van een volwassen bananenvlieg (Drosophila melanogaster), die tot de bekendste en meest voorkomende soorten binnen de fruitvliegenfamilie behoort. Het markeert een belangrijke vooruitgang in hersenonderzoek. Daarnaast stelt het ons niet alleen in staat om de hersenen van fruitvliegen beter te doorgronden, maar vormt het ook een brug naar het begrijpen van de hersenen van grotere en complexere soorten, zoals mensen.
Het brein van de fruitvlieg
Het is niet helemaal voor het eerst dat wetenschappers het brein van dieren in kaart brengen. Zo hebben onderzoekers al eerder de hersenen van een rondworm (die 302 neuronen bevat) en die van een larvale fruitvlieg (met 3.000 neuronen) geanalyseerd. Het brein van een volwassen fruitvlieg is echter veel complexer, met bijna 140.000 neuronen en ongeveer 50 miljoen synapsen die deze neuronen met elkaar verbinden. “De nieuwe kaart is een belangrijke prestatie,” zegt onderzoeker Mala Murthy. “Er bestaat geen ander compleet hersenconnectoom voor een volwassen dier met zo’n complexiteit.”
Neuronen gebruiken elektrische signalen om ‘berichten’ te verzenden. Elke neuron kan honderden takken hebben die het verbinden met andere neuronen. De plaatsen waar deze takken samenkomen en signalen tussen neuronen doorgeven, worden synapsen genoemd. Neuronen communiceren op twee belangrijke manieren via synapsen: door excitatie (wat het doorgeven van het elektrische signaal in de ontvangende neuron bevordert) of door inhibitie (wat de kans verkleint dat de volgende neuron signalen doorgeeft). Het onderzoeksteam heeft ook vastgesteld of elke synaps exciterend of inhiberend was. Om de hersenen digitaal te kunnen simuleren, is het belangrijk dat onderzoekers zowel de structuur van de hersenen begrijpen als weten hoe de neuronen elkaar activeren en deactiveren.
Kortom, de onderzoekers slaagden er dus in een volledig connectoom (breinbedrading) te creëren van alle neuronen in de hersenen van een fruitvlieg. Het betekent dat wetenschappers voor het eerst het volledige brein van een dier in kaart hebben gebracht dat kan lopen en zien. De bevindingen zijn gepubliceerd in het vakblad Nature.
Atlas
Net zoals een kaart die zowel kleine steegjes als grote snelwegen weergeeft, laat het connectoom de verbindingen in de hersenen van de fruitvlieg op verschillende niveaus zien. “Wat we hebben ontwikkeld, is in veel opzichten een atlas,” legt onderzoeker Sven Dorkenwald uit. “Net zoals je niet naar een onbekende locatie zou willen rijden zonder Google Maps, wil je de hersenen ook niet verkennen zonder een kaart. We hebben een atlas van de hersenen samengesteld en voorzien van aantekeningen over alle ‘bedrijven’, ‘gebouwen’ en ‘straatnamen’. Dit stelt onderzoekers in staat om de hersenen op een doordachte manier te verkennen terwijl we proberen ze te begrijpen.”
3D-weergave van alle ~140.000 neuronen in het brein van de fruitvlieg. Afbeelding: FlyWire.ai; Rendering by Philipp Schlegel (University of Cambridge/MRC LMB)
De kaart
Het bestuderen van de hersenen van een fruitvlieg is een hele opgave. Zo is het fruitvliegbrein minder dan 1 millimeter breed. De onderzoekers hebben eerst het brein van een vrouwelijke fruitvlieg in zevenduizend dunne plakjes gesneden, waarbij elk plakje slechts 40 nanometer dik was. Deze plakjes werden in het laboratorium gescand met een hoge-resolutie elektronenmicroscoop. De kaart is vervolgens samengesteld uit 21 miljoen beelden. Het analyseren van meer dan 100 terabytes aan afbeeldingsdata – wat overeenkomt met de opslagcapaciteit van 100 laptops – is te veel werk voor mensen om handmatig te doen. Daarom maakten de onderzoekers gebruik van kunstmatige intelligentie. “Het in kaart brengen van de volledige hersenen is gerealiseerd dankzij de vooruitgang in AI-technologie,” vertelt onderzoeker Sebastian Seung. “Het zou onmogelijk zijn geweest om het volledige bedradingdiagram met de hand te reconstrueren. Dit toont aan hoe AI een waardevolle bijdrage kan leveren aan de neurowetenschappen.”
Mensen
De onderzoekers benadrukken dat de volledige hersenkaart van de fruitvlieg een cruciale eerste stap is naar het in kaart brengen van grotere hersenen, zoals die van mensen. Fruitvliegen delen 60 procent van ons DNA. En driekwart van de genetische ziekten bij mensen heeft overeenkomsten met die van fruitvliegen. Daarom is dit onderzoek ook van groot belang voor ons. Aangezien de fruitvlieg vaak als modelorganisme wordt gebruikt, kan zijn hersenkaart helpen om beter te begrijpen hoe neurale circuits functioneren. “Om te begrijpen hoe de hersenen werken, is het noodzakelijk om inzicht te krijgen in hoe alle neuronen samenwerken en ons in staat stellen om te denken,” vertelt onderzoeker Gregory Jefferis. “Voor de meeste hersenen hebben we eigenlijk geen idee hoe deze netwerken functioneren. Fruitvliegen zijn in staat om veel complexe taken uit te voeren, zoals lopen, vliegen en zich oriënteren. Het in kaart brengen van de verbindingen in de hersenen is een eerste stap in het begrijpen van allerlei zaken die ons interesseren, zoals hoe we onze bewegingen aansturen, de telefoon opnemen of een vriend herkennen.”
Niet zo uniek
De wetenschappers ontdekten dat er veel gelijkenissen zijn tussen de verbindingen in deze kaart en eerdere kleinere onderzoeken die specifieke delen van de hersenen van de vlieg in kaart hebben gebracht. Hieruit concludeerden ze dat er aanzienlijke overeenkomsten in verbindingen bestaan tussen verschillende hersenen, wat betekent dat elk brein niet zo uniek is als eerder gedacht.
Hersenaandoeningen
De studie is een belangrijke opmaat naar behandelingen voor hersenaandoeningen. Waarom? Voor veel verwoestende hersenziekten, zoals dementie, Parkinson en Alzheimer, kunnen artsen slechts de symptomen verlichten. Een echte genezing ontbreekt. Dit komt doordat het moeilijk is iets te genezen wat we niet volledig begrijpen. En het menselijk brein, met zijn miljoenen neuronen en honderd biljoen synapsen, is buitengewoon complex. De nieuwe studie legt echter de basis voor verder onderzoek naar meer complexe hersenen – zoals die van mensen – en kan daarom bijdragen aan het ontwikkelen van nieuwe behandelingen voor hersenaandoeningen. Maar dat niet alleen. Bij het vergelijken van de nieuwe hersenkaarten met eerdere kaarten van kleinere hersengebieden ontdekten de onderzoekers dat ongeveer 0,5 procent van de neuronen variaties in ontwikkeling vertoont, wat kan leiden tot verkeerd verbonden neuronen. Ze benadrukken dat dit een belangrijk onderzoeksgebied zal zijn om te bestuderen of deze veranderingen samenhangen met hersenstoornissen. In de toekomst hopen onderzoekers bovendien te kunnen vergelijken wat er gebeurt als er problemen ontstaan in onze hersenen, zoals bij psychische aandoeningen. “We zijn nu in staat om gedetailleerde kaarten op synaptisch niveau te maken, wat ons helpt om celtypen en circuitstructuren binnen het gehele brein beter te begrijpen,” zegt onderzoeker Davi Bock. “Dit zal ons ongetwijfeld helpen om dieper inzicht te krijgen in hoe zenuwstelsels informatie verwerken, opslaan en oproepen. Ik geloof dat deze aanpak de richting aangeeft voor het bestuderen van toekomstige connectomen van volledige hersenen, zowel bij fruitvliegen als bij andere soorten.”
Dit onderzoek is uitgevoerd met de hersenen van een vrouwelijke fruitvlieg. Omdat er verschillen zijn in de neurale structuur tussen de hersenen van mannelijke en vrouwelijke fruitvliegen, zijn de onderzoekers van plan om in de toekomst ook een mannelijke brein te karakteriseren.
