Een neuron wordt geactiveerd. De reactie van de made is zijn kopje buigen of intrekken (afb: Nature)

Er wordt vaak heel geleerd gedaan over de werking van onze hersens, maar eigenlijk weten we er
geen bal van. Zelfs de bedrading en het functioneren van simpele netwerken stelt ons voor grootst mogelijke raadsels. Wereldwijd worstelen onderzoekers met die materie en proberen via het achterhalen van de functies van verschillende neuronverbindingen bij lagere diersoorten enige greep op die zaken te krijgen. Een uiterst moeizaam proces.

De neurowetenschapster Marta Zlatic van het Amerikaanse Howard Hughes-instituut heeft een uitzonderlijke verzameling filmpjes. Ze beschikt over 20 000 uur filmmateriaal, ook nog eens in zwart/wit, van de larve (made) van een fruitvliegje. Vreselijk spannend is het allemaal niet je ziet de vlieglarfjes kruipen en bewegen. Al dat filmmateriaal is ervoor bedoeld inzicht te krijgen hoe verbindingen tussen neuronen (zenuwcellen) leiden tot gedrag.
Welke zenuwcellen zijn verbonden met welke andere hoe bewegen de signalen in zulke netwerken(-jes) om er voor te zorgen dat het wezen zich kan voortbewegen? Hoe komen emoties tot stand en wat is de basis van bewustzijn? In dat laatste geval hebben we het niet over een larvembrein, zul je begrijpen.
Zelfs zonder extra prikkels als licht of hongergevoel, kunnen de larfjes van Zlatic zo’n dertig verschillende bewegingen maken: ze kunnen zich terugtrekken, hun kopje draaien of rollen. Zo’n vlieglarfje heeft maar 15 000 neuronen (vergelijk dat met 86 miljard in het menselijk brein). Dat is een van de redenen waarom de onderzoekster zo verzot is dit eenvoudige diertje. “Dat is het mooie aan Drosophila-larven”, zegt Zlatics collega en echtgenoot Albert Cardona. “Als je de bedrading kent dan heb je een uitstekend uitgangspunt om te zien hoe het centrale zenuwstelsel werkt.”

Zlatic en Cardona leiden twee van de tientallen groepen die zich met deze materie bezighouden. Met behulp van nieuwe technieken en hulpmiddelen is de laatste jaren enige schot in de zaak gekomen. De netwerkdiagrammen die de onderzoekers hebben ontwaard schijnen zelfs tot verrassingen te hebben geleid. Zo blijken de hersens een netwerk op verschillende manieren te gebruiken om hetzelfde gedrag te creëren.

Dat wil niet zeggen dat het dan allemaal rechttoe-rechtaan is. Zelfs de kleinste circuitjes, ordegroottes kleiner dan in die van de vlieglarfjes, stellen de onderzoekers voor de grootste raadsels. Die circuits variëren in opzet en functie, afhankelijk van de diersoort. Ook zit er nogal wat overbodigs in de circuits, waardoor ze moeilijk te ‘benoemen’ zijn. Daar komt nog eens bij dat niet alleen de bedrading uitmaakt welk gedrag er wordt gecreëerd. Daarbij spelen bijvoorbeeld ook chemische verbindingen een rol.
“Ik probeer het woord begrip te vermijden”, zegt Florian Engert van de Harvard-universiteit die zich bezighoudt met het samenstellen van een hersenatlas van zebravisjes. “Wat zou je bedoelen als je zegt dat je weet hoe iets werkt? Als je iets in kaart brengt begrijp je nog helemaal niks.”

Patronen

Dat klinkt niet al te optimistisch, maar gaandeweg leidt die Sisyfusarbeid wel tot iets. Er vallen toch dingen op, overeenkomsten, verschillen. Sommige wetenschappers denken iets te herkennen in de patronen van simpele circuitjes. “Dat hopen we tenminste”, zegt Willie Tobin van Harvard. “We hopen algemene principes te ontdekken die ons kunnen helpen het grotere geheel te begrijpen.”

Het simpelste brein waarvan de onderzoekers een volledige bedrading hebben is de platworm Caenorhabditis elegans. Dat heeft maar 300 neuronen. Het connectoom van die simpele hersentjes, de onderlingen verbindingen tussen de hersencellen, is in de jaren ’80 voltooid.
Toch bleek het moeilijk te volgen hoe die verbindingen in actie werden gevormd. Sommige wetenschappers denken trouwens dat dat soort simpele hersens niet zo werken als grote complexe hersens zoals die van zoogdieren.

Vele onderzoekers, waaronder Zlatic, hebben zich toen op een ander bastion in het dieronderzoek geworpen: het trouwe fruitvliegje (de Drosophila). De larven van die vliegjes zijn ingewikkeld genoeg om interessante gedragingen te vertonen en daarbij hebben ze nog niet zoveel neuronen dat het in kaart brengen van de bedrading onmogelijk wordt. Daarnaast gebruiken Zlatic en de haren technieken zoals optogenetica, waarbij lichtgevoelige eiwitten worden gebruikt om een neurale activiteit te meten of te sturen als de maden bezig zijn.
Zlatic en haar man maken gedetailleerde plaatjes van de hersentjes van de larven. Ook ontwikkelen ze technieken om de verbindingen tussen de neuronen automatisch te kunnen traceren. Door het gedrag te vergelijken met de activiteitenpatronen van de betrokken hersencellen proberen ze te achterhalen welke circuits aan welk gedrag bijdragen.

Keuze

Een van de vele raadsels is, bijvoorbeeld, hoe hersens tussen twee concurrente acties kiezen. Vorig jaar zouden Zlatic en Cardona de bedrading hebben achterhaald dat de maden in staat stelt als er luchtstoot hun kant wordt opgeblazen hun kopje in te trekken of te buigen. Dezelfde made kan de ene keer kiezen voor buigen en de andere keer voor intrekken.
De onderzoekers achterhaalden de neuronen die daarbij betrokken zijn en ze gebruikten optogenetica om die neuronen weer te activeren. Zo konden ze zien dat het circuit voor het intrekken van het kopje terwijl die voor opzijbuigen wordt versterkt in een tijdsbestek van een paar duizendste seconden. Vervolgens bouwden ze een rekenmodel waarmee voorspeld zou moeten worden wat de made zou dan als die op een bepaalde manier gestimuleerd wordt.
We hebben het hier over heel simpele dingetjes. Dat geeft nog maar eens ten overvloede aan hoe ver we (de wetenschap) staat van het ‘echte werk’.

Er zijn ook onderzoekers die het brein van een volwassen fruitvliegje bestuderen. We hebben het dan al weer over 135 000 neuronen en, het zij duidelijk, hoe groter het aantal neuronen hoe groter de (begrips)problemen. Daarom ook bestuderen onderzoekers die hersentjes in onderdelen. Zo werkt Tobin met een deel van de fruitvlieghersentjes dat verantwoordelijk is voor de aanmaak van geuren, de reukglomerulus. Het vliegje heeft zo’n vijftig glomeruli van elke zo’n 10 neuronen, alles bij elkaar nog geen tweehonderste mm in doorsnee, netjes symmetrisch voor de linker en de rechterkant van het vliegje.
Bij zijn jongste onderzoek namen Tobin c.s. zo’n glomurulus, sneden die in stukjes en gebruikten een elektronenmicroscoop om de structuur van de vijftig neuronen te reconstrueren van een bepaald type, inclusief de onderlingen verbindingen en de sterkte van die verbindingen. Als ze de twee helften (links/rechts) van de reukglomurulus vergeleken dan zagen ze soms aanzienlijke verschillende in aantal cellen en bedrading, zelfs als de functie van een circuit niet was veranderd.

Tobins suggereert dat die verschillen een gevolg zijn van afwijkingen in de ontwikkeling. Hersens kunnen tegen een stootje. Niet elke verandering leidt tot afwijkende resultaten, Volgens Tobin is die ‘robuustheid’ een kenmerk van alle hersens, die bij sommige ziektes verloren gaat. “Ziekte is het tekortschieten aan robuustheid van het systeem, dat daar niet voor kan compenseren.”

Engert houdt zich bezig met de hersentjes van de larve van het zebravisje, de Danio rerio, een welbekend auqariumvisje. Die heeft zo’n 100 000 hersencellen. In mei publiceerde zijn onderzoeksgroep een reconstructie van het larvenbrein en gebruikten die om te zien welke kant de neuronen zich ‘uitstrekken’ als ze groeien en verbindingen vormen tijdens de ontwikkeling van de hersens. Ze verwachten een zekere willekeur op de ‘reis’ van de hersens naar de ruggengraat. Bij zoogdieren lijkt dat een beetje lukraak te gebeuren. Bij de zebralarfjes bleven de neuronen netjes bij elkaar en kozen ze ‘spiegelroutes’ naar de linker- en rechterkant van de larve. Daarbij is volgens Engert het genetisch programma van de cellen wezenlijk. “Deze uitkomst is veel dogmatischer dan we hadden gedacht.”

Muisjes

Er zijn ook onderzoekers die zich met zoogdieren (nou ja, muisjes) bezighouden. Zo publiceerde een groep rond Sebastian Seung van de Princeton-universiteit een neuronenkaart en de verbindingen naar het netvlies van de muis. Door naar de vorm van de hersencellen te kijken en naar hun verbindingen, niet alle hersencellen hebben even veel verbindingen, gokten de onderzoekers hoe de signalen werden doorgegeven. Van sommige van die in kaart gebrachte cellen wisten de onderzoekers dat ze de signalen met vertraging doorgeven. Dat zou verklaren hoe ogen informatie doorgeven van een beeld in volle actie.

Eve Marder van de Brandeis-universiteit is een veteraan op dit terrein. Al dertig jaar geleden werkte ze met 30 hersencellen in een krabbenbrein. Zelfs dat kleine verzamelinkje krabbenneuronen stelde haar voor grote problemen en dat lag niet aan haar gebrek aan intelligentie. Tegenwoordig houdt ze zich bezig met de vraag hoe circuits in de loop der tijden hun ‘identiteit’ bewaren, ook als zijn ondertussen allerlei andere zaken zoals ionkanalen en receptoren vervangen. “We zijn erg ver verwijderd van het begrip om een verband te kunnen leggen tussen wat we zien van het diergedrag en het uitvoeren van een complexe taak.” Kort gezegd: we begrijpen er geen bal van.

De noeste arbeid gaat door ondanks schijnbaar gebrek aan succes. Zo laat Zlatic statistici en informatici die zich met kunstmatige intelligentie bezighouden (alles lijkt hier bij elkaar te komen) methoden ontwikkelen om de bewegingen van die simpele vliegenlarfjes te classificeren.
Bij haar echtgenoot proberen ze de larvenhersentjes in kaart te brengen compleet met connectoom. Dan maar kijken. Teken het circuit, manipuleer het circuit, bekijk het gedrag van de maden.

Dat in kaart brengen klinkt simpel, maar blijkt een hels karwei. Cardano is zo’n 1100 uur bezig geweest om een een hersenstukje van 160 neuronen in kaart te brengen (toevallig ook te maken met geur/reuk). Een heel vliegenlarvenbrein in kaart te brengen zou dan honderden mensjaren onderzoeksarbeid kosten. Dan lonkt automatisering, maar ook dat is makkelijker gezegd dan gedaan.
Hongkui Zeng van het Allen-instituut (hersenonderzoek) lacht als haar gevraagd wordt hoe lang het zou duren om een muizenbrein in kaart te brengen. “Dat gaat om astronomische cijfers. Ik weet zelfs niet of er een woord is dat te beschrijven. Het gaat om meer dan petabytes, petabytes van petabytes.” (peta is 10¹⁵, biljard).
Die gigantische hoeveelheid gegevens heeft te maken met het connectoom van een diertje, maar onderzoekers zouden hier dingen willen vergelijken. Tobin denkt dat verschillende dieren belangrijke verschillen in bedrading en misschien wel functionaliteit hebben.

complexe hersens

Onderzoekers willen graag de activiteit van zo veel mogelijk neuronen kunnen vastleggen. Tegelijkertijd. De wens is begrijpelijk. Zeng noemt die wens de volgende enorme uitdaging bij het onderzoek van complexe hersens. Dan zijn er ook nog onderzoekers die verbanden zoeken met ziektes. Veel onderzoekers op dit terrein stellen dat het ontwarren van de duistere wegen van de hersens alleen al schier onmogelijk is, laat staan als daarbij nog eens een verband moet worden gezocht met ziektes en de oorzaken daarvan.
Zlatic vindt de deelaanpak het bevredigendst, waarbij ze hoopt op de volledige breinkaart van de madenhersentjes. “Als je deelinformatie krijgt dan lijkt dat een zootje. Misschien zie je pas de zin ervan in als je het grotere systeem in beeld hebt gebracht.” Dat duurt dan nog wel even en dan zijn we bezig met de minuscule hersentjes van een nietige made.

Bron: Nature.