Een diepe blik op een stukje menselijk brein onthult nooit eerder vertoonde eigenaardigheden

Een nieuwe kijk op het menselijk brein toont zijn cellulaire bewoners in al hun wilde en vreemde glorie. De kaart, getrokken uit een klein stukje van het brein van een vrouw, brengt de gevarieerde vormen van 50.000 cellen en 130 miljoen verbindingen daartussen in kaart.

Deze ingewikkelde kaart, genaamd H01 voor ‘menselijk monster 1’, vertegenwoordigt een mijlpaal in de zoektocht van wetenschappers naar steeds gedetailleerdere beschrijvingen van een brein (SN: 2/7/14).

“Het is absoluut prachtig”, zegt neurowetenschapper Clay Reid van het Allen Institute for Brain Science in Seattle. “Op de best mogelijke manier is dit het begin van iets heel spannends.”

Wetenschappers van Harvard University, Google en elders hebben het hersenweefselmonster voorbereid en geanalyseerd. Kleiner dan een sesamzaadje, het stukje hersenen was ongeveer een miljoenste van het volume van een heel brein. Het kwam uit de cortex – de buitenste laag van de hersenen die verantwoordelijk is voor complexe gedachten – van een 45-jarige vrouw die een operatie onderging voor epilepsie. Nadat het was verwijderd, werd het hersenmonster snel geconserveerd en gekleurd met zware metalen die cellulaire structuren onthulden. Het monster werd vervolgens in meer dan 5.000 flinterdunne stukjes gesneden en afgebeeld met krachtige elektronenmicroscopen.

Computerprogramma’s voegden de resulterende beelden weer aan elkaar en kunstmatige intelligentieprogramma’s hielpen wetenschappers ze te analyseren. Een korte beschrijving van de resulterende weergave werd op 30 mei als preprint gepubliceerd op bioRxiv.org. De volledige dataset is: gratis online beschikbaar.

Voorlopig beginnen onderzoekers net te zien wat er is. “We hebben echt net onze teen in deze dataset gedompeld”, zegt co-auteur Jeff Lichtman, een ontwikkelingsneurobioloog aan de Harvard University. Lichtman vergelijkt de hersenkaart met Google Earth: “Er zijn edelstenen te vinden, maar niemand kan zeggen dat ze het hele ding hebben bekeken.”

Maar er zijn al enkele “fantastisch interessante” bezienswaardigheden verschenen, zegt Lichtman. “Als je grote datasets hebt, vallen plotseling deze vreemde dingen, deze rare dingen, deze zeldzame dingen op.”

Een van die nieuwsgierigheid betreft synapsen, verbindingsplekken waar signalen tussen zenuwcellen bewegen. Gewoonlijk raken de meeste axonen voor het verzenden van berichten een dendriet voor het ontvangen van berichten slechts één keer aan. In de nieuwe dataset waren ongeveer 90 procent van de verbindingen deze one-hit contacten. Sommige celparen hebben iets meer contacten. Maar om de zoveel tijd zagen onderzoekers cellen die meerdere keren met elkaar verbonden waren, waaronder één paar die verbonden waren door maar liefst 19 synapsen.

Er zijn meerdere verbindingen gevonden in muizenhersenen, hoewel niet zo overvloedig als in dit menselijke monster. En vliegenhersenen kunnen ook veel verbindingen tussen cellen hebben, hoewel ze meer verspreid zijn dan de nieuw beschreven menselijke verbindingen, zegt neurowetenschapper Pat Rivlin van de Janelia Research Campus van Howard Hughes Medical Institute in Ashburn, Virginia. Daar werkt Rivlin aan het FlyEM-project, die tot doel heeft gedetailleerde kaarten te maken van het zenuwstelsel van de fruitvlieg.

De grote dataset over het menselijk brein geeft een overzicht van hoe vaak dit soort verbindingen voorkomen, zegt Reid. En dat roept de vraag op wat deze buitengewoon sterke synapsen in de hersenen zouden kunnen doen.

Deze cellen kunnen hun doelcel mogelijk op een krachtige manier tot actie dwingen, speculeert Lichtman. Misschien is informatie uit het hoofd, zoals weten dat 5 keer 5 is 25 of weten dat je moet stoppen voor een rood licht, afhankelijk van deze krachtige input die informatie efficiënt door de hersenen stuurt.

Moleculair neurowetenschapper Seth Grant van de Universiteit van Edinburgh wijst erop dat de kaart weliswaar een waardevol hulpmiddel is, maar alleen de anatomie van de hersenen laat zien. Ander onderzoek zal de functie en samenstelling helpen verduidelijken van moleculen die hersengedrag aansturen. Voor nu is de kaart “zeer een verkenningsinstrument”, zegt hij.

Een curiositeit om verder te onderzoeken is de observatie door het team van twee zenuwcellen, of neuronen, die in een symmetrische dans verstrengeld leken te zijn. De afbeeldingen onthulden ook berichtverzendende axonen van neuronen die uitgebreide spoelen vormen, ongewone en mysterieuze kransen die eruitzien als opgerolde slangen. “We hadden nog nooit zoiets gezien”, zegt Lichtman. Toen de onderzoekers eenmaal wisten hoe ze naar deze spoelen moesten zoeken, doken er steeds meer op.

Deze uiterst gedetailleerde hersenkaarten zijn het resultaat van jarenlang onderzoek, zegt Reid, die aan het Allen Institute werkt aan kaarten van muizen- en menselijke hersenen (SN: 8/7/19). “Het is deze magische tijd in de geschiedenis”, waarin alle hulpmiddelen voor het maken van kaarten, zoals rekenmethoden, machine learning en krachtige microscopen, allemaal beschikbaar zijn, zegt Reid. “Dit werk begint net het daglicht te zien.”

Wat deze kaarten uiteindelijk zullen onthullen, is nog steeds een raadsel. Lichtman is voorzichtig of deze kaarten zullen leiden tot een diep begrip van de hersenen. “Ik denk dat we het beste kunnen beschrijven,” zegt hij. “Ik hoop dat we op een gegeven moment op een plek komen waar we niet langer verrast zijn door wat we zien.”