Menselijke Hersenen in Kaart gebracht

Primeur

Amsterdam, 8 juni 2021– Lichtman Laboratory aan de Harvard Universiteit heeft in samenwerking met Google geholpen bij het maken van de meest gedetailleerde kaart tot nu toe van de verbindingen in het menselijk brein. 

Het laboratorium van Lichtman aan de Harvard Universiteit heeft heeft geholpen bij het maken van de meest gedetailleerde kaart van de verbindingen in het menselijk brein tot nu toe, waarbij een duizelingwekkende hoeveelheid details wordt onthuld, inclusief patronen van verbindingen tussen neuronen, evenals wat mogelijk een nieuw soort neuron is. 

De hersenkaart, die gratis online beschikbaar is, bevat 50.000 cellen, allemaal weergegeven in drie dimensies. Ze zijn met elkaar verbonden door honderden miljoenen spinachtige ranken en vormen 130 miljoen verbindingen die synapsen worden genoemd. 

De dataset meet 1,4 petabyte, ongeveer 700 keer de opslagcapaciteit van een gemiddelde moderne computer. 

De dataset is zo groot dat de onderzoekers ze niet in detail hebben bestudeerd, zegt Viren Jain van Google Research in Mountain View, Californië. Hij vergelijkt het met het eerder genoemde menselijke genoom, dat twintig jaar nadat de eerste concepten verschenen nog steeds wordt onderzocht.

Het is de eerste keer dat we de echte structuur van zo’n groot deel van het menselijk brein hebben gezien, zegt Catherine Dulac van de Harvard University, die niet bij het werk betrokken was. “Het heeft iets een beetje emotioneel.”

Deze gigantische onderneming begon toen een team onder leiding van Jeff Lichtman, ook aan de Harvard University, een klein stukje hersenen kreeg van een 45-jarige vrouw met medicijnresistente epilepsie. Ze onderging een operatie om de linker hippocampus, de bron van haar aanvallen, uit haar hersenen te verwijderen. Om dit te doen, moesten de chirurgen wat gezond hersenweefsel verwijderen dat de hippocampus bedekte.

Lichtman en zijn team dompelden het monster onmiddellijk onder in conserveermiddelen en kleurden het vervolgens met zware metalen zoals osmium, zodat de buitenmembranen van elke cel zichtbaar waren onder een elektronenmicroscoop. Daarna hebben ze het in hars ingebed om het harder te maken. Ten slotte sneden ze het in plakjes van ongeveer 30 nanometer dik, of ongeveer een duizendste van de breedte van een mensenhaar, en gebruikten een elektronenmicroscoop om elk plakje in beeld te brengen.

Op dat moment nam het team van Jain bij Google het over en assembleerde de tweedimensionale plakjes – die Jain ‘een deli slicer-benadering van de hersenen’ noemt – om een driedimensionaal volume te vormen. Ze gebruikten machinaal leren om de ranken te reconstrueren die het ene neuron met het andere verbinden en labelden de verschillende celtypen.

Het schakelschema van de geest onthuld door kaart van mammoet achtige omtrek

Dit alles geeft slechts een klein deel van de hersenen weer. Jain zegt dat de schaal ervan het best wordt begrepen door te denken aan een functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) -scan, die wordt gebruikt om activiteit in verschillende hersengebieden te tonen. “De hele dataset die we hebben geproduceerd, is een kubieke millimeter, wat meestal één pixel is in een MRI-scan”, zegt hij. “Het is interessant om alle dingen onder de motorkap van één pixel van een MRI bloot te leggen.”

Voor Dulac is de dataset “een schat aan goodies voor de komende jaren”. Jain en zijn team hebben al nieuwe ontdekkingen gedaan over hoe onze hersenen zijn bedraad: er was bijvoorbeeld een grote discrepantie in het aantal verbindingen tussen neuronen.

Normaal gesproken, wanneer een rank van het ene neuron dicht bij het andere passeert, zou het slechts één synaps vormen, of meer zelden twee tot vier. Maar er waren ook enkele ranken die tot 20 synapsen vormden op één doel neuron, wat betekent dat deze rank op zichzelf waarschijnlijk in staat zou zijn om dat neuron te laten vuren.

Het is niet duidelijk waarom, maar Lichtman speculeert dat de multi-synapsverbindingen ten grondslag liggen aan aangeleerd gedrag. “Er zijn veel dingen die je hersenen doen door cognitie, door erover na te denken en uit te puzzelen en een beslissing te nemen, en er zijn veel dingen die je automatisch doet die niet genetisch kunnen zijn gekomen”, zegt hij, zoals remmen als je een rood licht ziet. Door de super sterke verbindingen zou een bericht snel door het netwerk kunnen gaan.

Het team vond ook mysterieuze paren neuronen diep in de cortex die nog niet eerder waren waargenomen. “De twee cellen wezen precies in de tegenovergestelde richting op dezelfde as”, zegt Lichtman. Niemand weet noch begrijpt waarom.

Brain mapping, of connectomics, heeft een lange weg afgelegd sinds de eerste doorbraak in de jaren tachtig, toen onderzoekers de 302 neuronen in het zenuwstelsel van een worm genaamd Caenorhabditis elegans in kaart brachten. Jain, Dulac en Lichtman maakten deel uit van een groep die in 2020 pleitte voor het in kaart brengen van een volledig muizenbrein op een vergelijkbaar detailniveau.

“Een heel muizenbrein is maar 1000 keer groter dan dit, een exabyte in plaats van een petabyte”, zegt Lichtman. “Het is op een schaal waarop we dat waarschijnlijk binnen een decennium zullen kunnen doen, vermoed ik.” Dulac wil zien hoe de cortex zich verbindt met andere delen van de hersenen, en het in kaart brengen van de muizenhersenen zou dat onthullen.

Elk neuron in een dier apart en voor het eerst in kaart gebracht

Om een volledig menselijk brein in kaart te brengen, zou een dataset nodig zijn die nog eens 1000 keer groter is, een zettabyte, wat volgens Lichtman “vergelijkbaar is met de hoeveelheid digitale inhoud die in een jaar door de planeet Aarde wordt gegenereerd”.

Maar het is misschien niet de moeite waard om dit te doen. “We kunnen ontdekken dat veel ervan coderende informatie is die door ervaring is binnengekomen en daarom zal elk brein iets anders zijn dan elk ander”, zegt hij. Zonder te begrijpen hoe informatie wordt opgeslagen, zouden de gegevens wartaal zijn, zegt hij.

Een directer voordeel zou zijn om te onderzoeken hoe de cel kaart verschilt bij mensen met psychische aandoeningen, zegt Dulac. “Vergelijkbare onderzoeken zouden kunnen worden gedaan bij patiënten die ook een psychische aandoening hebben”, zegt ze, om meer licht te werpen op hoe aandoeningen zoals schizofrenie zich manifesteren.

AF.: Tijdschrift referentie. en Bron: bioRxiv,

Lees meer: Wie zijn wij