Wetenschappers hebben het eerste complete bedradingsschema van de in totaal 139.255 neuronen en 50 miljoen verbindingen daartussen in het brein van een volwassen fruitvlieg (Drosophila melanogaster) afgewerkt.
De hersenen van de fruitvlieg zien er anders uit dan de onze, maar de fundamentele principes van hoe ze werken zijn gelijkaardig. Ook fruitvliegenhersenen bevatten zenuwcellen die connecties met elkaar maken, en hersendelen activeren of onderdrukken. De insecten hebben bijvoorbeeld ook receptoren die informatie sturen naar de hersenen. In de hersenen worden die signalen verwerkt en aan andere zaken gelinkt, zoals het geheugen. Vanuit de hersenen ontstaat dan ook de vraag naar een bepaalde actie in bijvoorbeeld de spieren. Het totale proces van input, verwerking en output is gelijkaardig in mensen- en fruitvliegenbreinen.
Voor wetenschappers is het veel makkelijker en efficiënter om fruitvliegenbreinen te bestuderen om fundamentele inzichten over de hersenwerking te verzamelen. De hersenen van de fruitvlieg bestaan uit ‘slechts’ 250.000 zenuwcellen, terwijl de menselijke hersenen uit vele miljarden cellen zijn opgebouwd. Het brein van de fruitvlieg is dus beduidend eenvoudiger en overzichtelijker.
‘Als je de verbindingen tussen hersencellen moet bestuderen bij mensen of muizen, dan is je gezichtsveld onder de microscoop altijd beperkt omdat je slechts fragmenten van de hersenen kunt bekijken. Het brein van de fruitvlieg is zo klein dat het in één stuk onder de microscoop past. Meer zelfs, we kunnen soms tot twintig hersenen tegelijk onder een microscoop bekijken’, vertelde bio-ingenieur Stein Aerts van de KU Leuven en het VIB eerder al in onze podcastaflevering over de fruitvlieg. In 2022 presenteerde Aerts samen met fruitvliegexperts van over de hele wereld de Fly Cell Atlas, een gedetailleerde kaart van alle celtypes van de volwassen fruitvlieg, inclusief hersencellen, spiercellen, immuuncellen en de gespecialiseerde cellen betrokken bij zien, horen, ruiken, proeven en voelen.
Een ander internationaal team van wetenschappers slaagde er nu in om de volledige ‘wegenkaart’ van het fruitvliegenbrein samen te stellen. Dat is bijzonder, want het is de eerste keer dat zoiets gebeurt voor de hersenen van een dier dat kan lopen en zien. Eerder brachten wetenschappers wel al de hersenen van een C. elegans worm in kaart, met zijn 302 neuronen, en de hersenen van een larvale fruitvlieg, die 3000 neuronen had, maar de volwassen fruitvlieg is veel complexer, met bijna 140.000 neuronen en ruwweg 50 miljoen synapsen die ze verbinden.
‘Wat we hebben gebouwd is in veel opzichten een atlas,’ zegt Sven Dorkenwald, hoofdauteur van de paper in het vakblad Nature, in een persbericht. ‘Net zoals je niet naar een nieuwe plek zou willen rijden zonder Google Maps, wil je de hersenen niet verkennen zonder een kaart. We hebben een atlas van de hersenen gemaakt en annotaties toegevoegd voor alle bedrijven, gebouwen en straatnamen. Hiermee zijn onderzoekers nu in staat om doordacht door het brein te navigeren terwijl we het proberen te begrijpen.’
Net als een kaart die zowel elk klein steegje als elke autosnelweg laat zien, toont het connectoom van de vlieg de verbindingen binnen de hersenen van de fruitvlieg op elke schaal. De kaart is opgebouwd uit 21 miljoen afbeeldingen van het brein van een vrouwelijke fruitvlieg. Met behulp van een AI-model werden die beelden omgezet in een gelabelde driedimensionale kaart.
De ‘Google Maps van het fruitvliegenbrein’ moet fundamenteel hersenonderzoek een boost geven. Wetenschappers bestuderen de fundamentele principes die ook in ons lichaam gelden via modelorganismen, zoals de fruitvlieg, en dankzij deze kaart zouden ze vlotter hun weg moeten vinden.
