Wetenschappers hebben voor het eerst een atlas gemaakt van het complete brein van een fruitvlieg. Ze brachten 140.000 neuronen en hun 50 miljoen verbindingen in kaart.  

“Net zoals je niet naar een nieuwe plek zou willen rijden zonder Google Maps, wil je de hersenen niet verkennen zonder een kaart”, zegt Sven Dorkenwald, een computer- en neurowetenschapper aan de University of Washington. Samen met bijna 300 collega’s over de hele wereld bouwde hij daarom een atlas van het complete brein van een volwassen fruitvlieg, een enorm belangrijke tool om het brein beter te begrijpen. De bijbehorende negen papers verschijnen in het toonaangevende tijdschrift Nature en pronken zelfs op de cover.

Lees ook:

• Meest gedetailleerde hersencelatlas levert schat aan informatie op
• ‘Hiermee begrijpen we straks de werking van het brein beter’

50 miljoen verbindingen

Het DNA van fruitvliegjes komt voor ongeveer 60 procent overeen met dat van mensen, en van drie op de vier genetische ziektes bij mensen, bestaat er ook een variant in fruitvliegen. Het begrijpen van het fruitvliegbrein zorgt er dus ook voor dat wetenschappers het menselijke brein beter zullen doorgronden. Dat was voor het FlyWire Consortium, een internationale groep neuro- en computerwetenschappers, genoeg reden om zo’n atlas te maken.

Onderzoekers hebben eerder al atlassen gemaakt van de hersenen van een minuscule rondworm (die bestaan uit 302 neuronen) en een fruitvlieglarve (die bestaan uit 3000 neuronen). Dat waren al enorme ondernemingen, maar het FlyWire-project is nog veel ambitieuzer. Het brein van een volwassen fruitvlieg bestaat namelijk uit bijna 140.000 neuronen die via 50 miljoen verbindingen met elkaar in contact staan.

100 terabyte aan data

Hoe maak je daar een kaart van? Hoewel het complete fruitvliegbrein minder dan 1 millimeter breed is, lukte het de onderzoekers toch om dat in 7000 plakken te snijden. Vervolgens scanden ze die met een elektronen microscoop, zo konden ze de individuele neuronen en hun verbindingen zien.

Het resultaat was 100 terabyte aan beelddata, vergelijkbaar met de opslagruimte van tweehonderd gemiddelde laptops. Om daarin handmatig de vormen van 140.000 neuronen en 50 miljoen neuronen aan te geven, wat nodig is om een kaart te maken, is onmogelijk. Het team bouwde daarom een AI die dat veel sneller kon.

Straatnamen en bezienswaardigheden

Hoewel die AI onmisbaar was in het proces, maakte hij ook nog veel fouten. Bijna 300 wetenschappers en talloze vrijwilligers hebben die gegevens daarom nauwkeurig gecontroleerd. Als slechts één persoon daar dag en nacht aan had gewerkt, had hij er naar schatting 33 jaar over gedaan.

De kaarten van Google Maps bestaan uit meer dan alleen wegen, ze bevatten ook annotaties, zoals straatnamen, bezienswaardigheden en bedrijven. Dat hebben de wetenschappers ook zo goed mogelijk voor het fruitvliegbrein gedaan, zo hebben ze bijvoorbeeld aangegeven welke neuronen zich bezighouden met zicht of beweging.

Nieuwe behandelingen voor hersenziektes

“Met deze atlas zijn onderzoekers volledig uitgerust om het brein te verkennen terwijl ze het proberen te begrijpen”, zegt Dorkenwald. En dat is belangrijk, want er zijn nog veel zaken onduidelijk, onder andere hoe de hersenen informatie verwerken, opslaan en weer oproepen.

De kaart zou op den duur ook kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor hersenziektes. “In veel opzichten is het brein krachtiger dan welke door mensen gemaakte computer dan ook, maar voor het grootste deel begrijpen we de onderliggende logica nog niet”, zegt John Ngai, directeur van het BRAIN-initiatief, dat het FlyWire-project gedeeltelijk financierde. “Zonder een gedetailleerd begrip van hoe neuronen met elkaar verbonden zijn, zullen we geen basiskennis hebben van wat er goed gaat in gezonde hersenen en wat er fout gaat bij ziektes.”

De nieuwe atlas is overigens van een vrouwelijk fruitvliegbrein. Omdat het mannetjesbrein een andere neuronenstructuur heeft, willen de onderzoekers die in de toekomst ook in kaart brengen. Maar ze dromen ook al over een nog veel spannender project: het muizenbrein. Menselijke hersenen blijven daarentegen voorlopig toekomstmuziek, die bestaan namelijk uit ruim 80 miljard neuronen en 100 biljoen verbindingen.

In deze video zie je het 3D-model van het fruitvliegbrein.

Bronnen: Nature, Princeton University via EurekAlert!, UK Research & Innovation via EurekAlert!

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!