Na bijna 10 jaar is het wetenschappers van Harvard en Google dan toch gelukt: ze hebben een kubieke millimeter aan menselijk hersenweefsel in kaart gebracht.
Een kubieke millimeter lijkt wellicht niet zo groot. En – eerlijk toegegeven – dat is het ook niet echt. Tenzij het gaat om hersenweefsel: in één kubieke millimeter kan namelijk al 1400 terabytes aan data gevonden worden. Dit blijkt uit een nieuw onderzoek, waarbij wetenschappers in een kubieke millimeter hersenweefsel in totaal 57.000 cellen, 230 millimeter aan bloedvaten en 150 miljoen synapsen (contactpunten tussen zenuwcellen) in kaart hebben gebracht.
Klein stukje brein, maar gigantisch veel data
En zo geeft het onderzoek dus een heel gedetailleerd beeld van een fragment van het menselijk brein. Wetenschapper Jeff Lichtman heeft meegewerkt aan het onderzoek. Hij laat weten: “Het woord ‘fragment’ is wel enigszins ironisch te noemen. De meeste mensen vinden namelijk één terabyte al heel veel. Ondanks dat bevat een piepklein ‘fragment’ van onze hersenen duizenden terabytes (aan informatie, red.).” Het onderzoek is gepubliceerd in het blad Science.
Nieuwe ontdekkingen
Tijdens het bestuderen van deze enkele kubieke millimeter hebben de wetenschappers tal van nieuwe ontdekkingen gedaan. Zo hebben ze onder meer enkele neuronen ontdekt die tot wel 50 verbindingen met andere neuronen aangingen. Dat is iets wat nog niet eerder is gezien; normaliter zijn tussen twee neuronen slechts een paar verbindingen te vinden. Daarnaast is er ook een nieuwe hersenstructuur ontdekt: een soort kluwen van axonen (dit zijn uitlopers van zenuwcellen die elektrische impulsen geleiden en zo informatieoverdracht in het zenuwstelsel mogelijk maken). Onduidelijk is echter of de vorming van deze ‘kluwens’ ‘normaal’ is; het stukje brein dat de onderzoekers bestudeerden, was namelijk afkomstig van iemand met epilepsie. En de onderzoekers kunnen in dit stadium niet uitsluiten dat de waargenomen ‘kluwens’ van axonen een gevolg zijn van deze hersenaandoening.
Algoritmes
Tijdens het onderzoek hebben de wetenschappers dus een hoogwaardige ‘kaart’ weten te maken van een kubieke millimeter aan hersenweefsel. Voor de beeldvorming hebben ze gebruik gemaakt van elektronenmicroscopie. Deze data hebben ze vervolgens aan AI-algoritmes gegeven van Google. Deze algoritmes hebben de verschillende onderdelen in het hersenweefsel vervolgens geïdentificeerd en een eigen kleur meegegeven, waarna ze uiteindelijk de reconstructie verder aan konden vullen door de precieze verbindingen te reconstrueren. De reconstructie geldt als de grootste 3D-reconstructie die ooit van de hersenen is gemaakt.
Het ultieme doel
De wetenschappers zijn erg blij zijn met het verkregen resultaat. Toch is deze 3D-reconstructie slechts een kleine stap richting het uiteindelijke doel: het produceren van een 3D-kaart die de hersenen van een muis compleet weer kan geven. Om dit voor elkaar te krijgen, hebben de wetenschappers nog een lange weg te gaan. Zo wordt er geschat dat zo’n complexe kaart uiteindelijk 1000 keer meer data zal bevatten dan de kaart die tijdens het recente onderzoek is geproduceerd.
Neuroglancer
Ben je in afwachting van een complete kaart van een muizenbrein heel nieuwsgierig hoe de kaart van een kubieke millimeter menselijk hersenweefsel er nu precies uitziet? Dan hebben we goed nieuws: de onderzoekers hebben besloten om de resultaten van hun onderzoek openbaar te maken. De kaart kan dan ook bekeken worden met een tool die de naam Neuroglancer mee heeft gekregen. Mede-wetenschapper Viren Jain sluit af: “Voor dit project waren enorme investeringen nodig. Het is dan ook belangrijk voor ons dat we de resultaten weergaven op een manier die anderen in staat stelt om hier gebruik van te maken.” De Neuroglancer is hier te vinden.
Hippocampus
Terwijl anderen zich aan de 3D-kaart vergapen, gaan de onderzoekers gewoon door met hun missie. Hun volgende stap is om de hippocampus van muizen onder de loep te nemen. Dit hersengebied is uitermate interessant, omdat het een belangrijke rol speelt in het opslaan van nieuwe herinneringen en door verschillende (neurologische) aandoeningen kan worden aangetast. Zo is het bijvoorbeeld de plek waar de ziekte van Alzheimer de eerste schade aanricht.
Terug naar de muis
Het klinkt misschien als een stap terug: na een millimeter menselijk hersenweefsel te hebben onderzocht, richten wetenschappers zich nu weer op de hippocampus van de muis. En uiteindelijk hopen ze – zoals gezegd – ook een compleet muizenbrein – en dus niet een menselijk brein – in kaart te brengen. Daar is een goede reden voor. Met de huidige technologieën is het namelijk niet mogelijk om de verbindingen in complete menselijke hersengebieden – laat staan in het menselijk brein in zijn geheel – gedetailleerd in kaart te brengen. Daarvoor zijn onze hersenen gewoon te groot. Vandaar dat onderzoekers hun toevlucht nemen tot het brein van een muis; dat is een stuk kleiner. Natuurlijk is het muizenbrein wel iets anders dan dat van een mens, maar op het niveau waarop de onderzoekers het bekijken, vallen die verschillen eigenlijk weg, zo legde Lichtman eerder uit. “Op het niveau van cellen en synapsen zijn alle hersenen van zoogdieren in beginsel hetzelfde.”
En zo kunnen de verbindingen in een muizenbrein dus prima model staan voor de verbindingen in een menselijk brein, zo is de verwachting. Een beter – en vooral gedetailleerder – beeld van die verbindingen is cruciaal, zo stelden de onderzoekers eerder al. Het kan naar verwachting leiden tot nieuwe manieren om bijvoorbeeld autisme en schizofrenie te diagnosticeren en behandelen. De verwachting is namelijk dat sommige van deze stoornissen gepaard gaan met subtiele afwijkingen in de hersenverbindingen die op de nu gangbare hersenscans niet te zien zijn, maar wel zichtbaar worden als we het brein – en de vele verbindingen daarbinnen – veel gedetailleerder bekijken.
