Tomatito/Shutterstock
Stel je voor dat je door een onbekende stad probeert te navigeren, maar je bent je smartphone kwijt. Je hebt geen kaart. En de straatnaambordjes zijn in een vreemde taal. Zo denken neurowetenschappers over het bestuderen van de hersenen.
Miljarden neuronen in het menselijk brein maken triljoenen verbindingen met elkaar en vormen een ingewikkeld doolhof van wegen (neurale paden) die ons maken tot wie we zijn. Een neurale weg is een reeks verbonden neuronen die signalen sturen van het ene deel van de hersenen naar het andere. Deze netwerken bepalen hoe wij denken, onze herinneringen opslaan en met elkaar omgaan. Neurowetenschappers beschikken nog niet over de technologie om zelfs maar een klein deel van de verbindingen in het menselijk brein te schetsen. We hebben geen kaart.
Maar een internationaal team van wetenschappers van het MRC Laboratory of Molecular Biology, University of Cambridge, en Johns Hopkins University heeft een doorbraak gemaakt. We hebben het meest complexe brein tot nu toe in kaart gebracht: een insect. Dit brein lijkt in veel opzichten op het menselijk brein, met twee hersenhelften, een hersenstamachtige structuur en een ruggenmerg-equivalent dat de spieren van het dier aanstuurt.
Inzicht in dit brein kan ons veel aanwijzingen geven over hoe het menselijk brein werkt.
Er zijn tegenwoordig maar een paar hersenkaarten, of connectomes, beschikbaar. Die welke bestaan zijn voor eenvoudige dieren, zoals wormen of zee-egels, die een paar honderd neuronen hebben.
Je hebt dure apparatuur nodig om hersenen in kaart te brengen, zoals krachtige elektronenmicroscopen om de minuscule synapsen tussen neuronen in beeld te brengen, die elk ruwweg 10 miljardste meter groot zijn. Synapsen zijn knooppunten waar neuronen met elkaar communiceren. Zelfs voor eenvoudige hersenen duurt het jaren om neurale wegen, synapsen en neuronen te reconstrueren.
In een recente studie, gepubliceerd in Science, hebben mijn co-auteurs en ik een fruitvlieglarve (Drosophila melanogaster) hersenen in kaart gebracht met 3.016 neuronen en meer dan een half miljoen synaptische plaatsen. Deze insecten zijn verrassend complex. Fruitvlieglarven kunnen pijn voelen, goede en slechte herinneringen vormen en in teamverband met hun buren naar voedsel zoeken.
Wat we geleerd hebben
Het eerste wat we ontdekten was dat fruitvliegneuronen niet op één, maar op vier verschillende manieren met elkaar communiceren.
Anatomie van het neuron.
logika600/Shutterstock
Wetenschappers dachten dat de belangrijkste manier waarop neuronen met elkaar communiceerden, was door zijn kabel (axon) te gebruiken om neurotransmitters (chemische boodschappers) naar de dendriet van een ander neuron te sturen. Dendrieten zijn aanhangsels ontworpen om signalen van andere cellen te ontvangen. Dit gold echter slechts voor de helft van de verbindingen in de hersenen van de fruitvlieglarve. Soms sturen fruitvliegneuronen berichten van axon naar axon, dendriet naar dendriet, of dendriet naar axon.
Onderzoekers waren op de hoogte van dit soort verbindingen, maar er was weinig over bekend of hoeveel het er waren. Ons team was geschokt door het enorme aantal, dat bijna de helft van de connectiviteit van de hersenen uitmaakt. Ze stelden neuronen in staat om met elkaar te verbinden op manieren die we voorheen niet kenden, bijvoorbeeld door meerdere verbindingstypes tegelijk te combineren.
De kaart van de hersenen van de fruitvlieg.
MRC Laboratorium voor Moleculaire Biologie, Auteur voorzien
Omdat er zoveel neuronen zijn, is het moeilijk om de hersenen te zien als één massa onderling verbonden neuronen. Dus vereenvoudigen neurowetenschappers de zaken door gelijkaardige “celtypes” te groeperen. Elk neuron heeft een unieke vorm en rol in de hersenen – in wezen zijn eigen vingerafdruk. Maar er is geen consensus over hoe deze celtypes moeten worden gedefinieerd.
Mijn team ontdekte een nieuwe manier om de hersenstructuur in zijn eenvoudigste vorm te ontleden, door alleen gebruik te maken van de verbindingen tussen neuronen. We vonden 93 celtypes in de hersenen van de fruitvlieglarve. Neuronen binnen elk van deze groepen hadden vergelijkbare vormen en vervulden vergelijkbare rollen in de hersenen, bijvoorbeeld het ontvangen van visuele informatie van het oog.
Vervolgens hebben we de kern van het brein nader bekeken. We ontwikkelden een algoritme dat signalen in de hersenen volgt. Wetenschappers dachten dat verschillende neuronen gewijd waren aan verschillende zintuigen en dat deze signalen pas later bij elkaar kwamen. Maar met behulp van ons algoritme ontdekten we dat de meeste neuronen multitasken en verschillende rollen vervullen, afhankelijk van de specifieke zintuiglijke signalen die de fruitvlieglarve ervaart. Neuronen die slechts één zintuiglijk signaal verwerken waren zeldzaam.
Algoritmen en hersenen
Het brein van de fruitvlieglarve vertoonde verbazingwekkende overeenkomsten met kunstmatige intelligentie (AI). Paden door het brein waren gelaagd over elkaar als ResNets, (kunstmatige neurale netwerken waarmee diepe netwerken beter taken kunnen leren), waardoor het meer kracht kon pakken. Veel hersenpaden bevatten lussen. Dit werd met name aangetoond in het leer- en geheugencentrum, dat wellicht functioneert als een recurrent neuraal netwerk (kunstmatige neurale netwerken met lusverbindingen).
Maar zelfs eenvoudige hersenen kunnen vele taken goed uitvoeren, terwijl AI slechts één taak goed kan uitvoeren. Bovendien zijn hersenen veel efficiënter en gebruiken ze veel minder energie dan AI. Als een brein genoeg energie gebruikt om een gloeilamp van stroom te voorzien om een probleem op te lossen, dan zou AI misschien de energie nodig hebben om vijf auto’s te bouwen en 120.000 mijl te laten rijden om dezelfde puzzel op te lossen.
AI wordt steeds gewoner, met doorbraken als ChatGPT. Deze technologie wordt steeds energiehongeriger, met het potentieel om de huidige klimaatcrisis te verergeren. Leren hoe hersenen complexe problemen kunnen oplossen met minimaal energieverbruik zal essentieel zijn om de ecologische voetafdruk van AI te verkleinen.
De studie van mijn team is een mijlpaal in het begrijpen van de structuren van hersenen. Omdat fruitvliegen veel genen delen met mensen, kan onze kaart van de fruitvlieglarve hersenen wetenschappers helpen leren hoe ziekteveroorzakende mutaties de hersenbedrading veranderen bij neurologische aandoeningen, zoals autismespectrumstoornissen en schizofrenie.
Met een hersenkaart in de hand liggen antwoorden op vragen over hersenfunctie en -disfunctie binnen handbereik. Alles wat we moeten doen is blijven onderzoeken.
Michael Winding is momenteel verbonden aan het Francis Crick Institute, maar was een Research Associate bij drie instituten toen dit onderzoek werd uitgevoerd: de University of Cambridge, Department of Zoology; het MRC Laboratory of Molecular Biology; en HHMI Janelia Research Campus.
