Wetenschappers brengen fruitvliegbrein met 50 miljoen verbindingen volledig in kaart

Alle 139.255 hersencellen van een volwassen fruitvlieg zijn in kaart gebracht. Video Tyler Sloan/FlyWire/Princeton University

Met een piepklein brein is een grote stap gezet in het hersenonderzoek. 140.000 zenuwcellen en meer dan 50 miljoen verbindingen in het brein van één dood vrouwenfruitvliegje zijn vastgelegd in één model. Het connectoom, zoals neurowetenschappers dit bedradingsschema noemen, is deze week door Nature gepresenteerd.

De fruitvlieg, Drosophila melanogaster, is een belangrijk model voor hersenonderzoek. Zoals één van de onderzoekers tijdens de persbijeenkomst zei: „Als je één brein begrijpt, begrijp je meer over alle hersenen.” Het brein van het kleine wormpje C. elegans, was al eerder in kaart gebracht, maar dat is met 302 zenuwcellen veel minder complex.

Nu tot in detail in beeld is gebracht hoe neuronen bij fruitvliegjes verbonden zijn, kunnen onderzoekers beter begrijpen hoe gedrag bij mensen werkt, bijvoorbeeld bij beloning en verslaving. Ruim achtduizend typen neuronen zijn geïdentificeerd, minder dan de helft was al bekend. Hoewel niet van alle celtypes bekend is wat ze precies doen, kunnen onderzoekers op basis van de bedradingskaart wel beter voorspellen hoe bepaalde prikkels specifieke zenuwcellen activeren.

Zandkorrel

Dat slechts één dood fruitvliegje model stond, met een brein zo klein als een zandkorrel, doet daar weinig aan af, volgens de onderzoekers. De kaart is statisch, maar helpt om modellen en hypotheses in te kaderen met wat er bekend is over de verbindingen en ze te testen.

Meer dan tien jaar duurde het ‘FlyWire’-project, geleid door neurowetenschappers aan Princeton University (VS). Met de elekronenmicroscoop maakten ze meer dan twintig miljoen beelden waarmee ze het fruitvliegbrein in zevenduizend plakjes konden verdelen om er een driedimensionaal model van te maken.

Het brein van het fruitvliegje (roze) heeft de grootte van een zandkorrel.
Illustratie FlyWire / Princeton University

Wetenschappers, maar ook goed ingevoerde leken, konden via een open digitaal platform helpen om elk type zenuwcel te etiketteren en fouten te corrigeren die de computer soms maakte. Dat leverde drie miljoen handmatige aanpassingen op. Eén onderzoeker vergeleek het met Google Maps: computerprogramma’s kunnen straten en meren herkennen op satellietbeelden, maar mensen zijn nodig om ervoor te zorgen dat de namen kloppen.

Muizenbrein

Neurowetenschappers kijken nu al uit naar het connectoom van het muizenbrein, al zal dat nog minstens vijf jaar op zich laten wachten. Het brein van mensen is met 86 miljard neuronen zo groot en complex dat het alleen al een uitdaging wordt om servers te bouwen voor de alle data die nodig is om daar een vergelijkbare kaart van te maken.

De onderzoekers die betrokken zijn bij FlyWire kwamen superlatieven tekort bij de presentatie van het fruitvliegconnectoom. Ze spraken van een tijd vóór en een tijd na het connectoom. Nature pakt uit met negen papers die allemaal het belang van de fruitvliegbreinkaart onderstrepen. „Nu al brengt die een revolutie in het veld teweeg”, schrijft een deskundige in een begeleidend commentaar.


Lees ook

De atlas van het mensenbrein beschrijft alle cellen en hun functies

De hersenen in dwarsdoorsnede op een mri-scan.

Annette Schenck, die aan het Radboudumc erfelijke hersenaandoeningen onderzoekt met fruitvliegen, is het hiermee eens. „Het is niet de enige, maar wel een zeer belangrijke mijlpaal. We hebben een routekaart nodig om de weg in het brein te vinden. Het complexe gedrag dat veroorzaakt wordt wanneer we prikkels uit de omgeving verwerken in de hersenen kunnen we beter begrijpen als we de circuits kennen.”

Hoe visuele prikkels in het brein van neuron naar neuron, en via de ene synaps naar de andere gaan, of welke routes berokken zijn bij bijvoorbeeld geur en smaak, of bij het besluit om te stoppen met lopen – er valt nog veel over te leren en het fruitvliegconnectoom helpt daarbij.

Routekaart

Het mensenbrein is weliswaar veel groter en bevat veel meer zenuwcellen en contactpunten dan dat van een fruitvlieg. „Maar de patronen zijn vergelijkbaar. Bepaalde types neuronen en verbindingen werken bij mensen in essentie hetzelfde als bij fruitvliegen. Deze routekaart is de springplank naar nieuw onderzoek en inzichten.”

De manier waarop het brein prikkels en signalen verwerkt, hangt af van de toestand waarin we ons bevinden, zegt Schenck. „Hoe we beslissen of we seks hebben of gaan eten hangt bijvoorbeeld af van hoeveel honger honger we hebben – dit is waarom voortdurend zoveel informatie in de hersenen moet worden verwerkt en waarom het zo complex is.”

De Princeton-onderzoekers antwoordden voorzichtig toen de vraag kwam voor welke hersenaandoeningen het fruitvliegconnectoom relevant is. Schenck noemt autisme als voorbeeld. „We weten nog niet precies hoe de circuits van autisme-relevant gedrag die wij bestuderen eruitzien. We kunnen nu hypothesen testen en mogelijk kan dat zelfs tot de ontwikkeling van nieuwe medicijnen leiden.”

De vijftig grootste neuronen in de hersenen in het brein van het fruitvliegje dat in totaal uit 139.205 zenuwcellen bestaat.
Foto Tyler Sloan / FlyWire / Princeton University