Verbindingen tussen hersencellen (afb: Google/Lichtmanlab)
Menselijke hersens zijn een wonder van de natuur. Het is nog nooit gelukt zich van dat complexe orgaan een beeld te vormen dat maar in de buurt komt van het echte werk vanwege het grote aantal hersencellen (miljarden) en het nog veel grotere aantal verbindingen daartussen. Nu hebben onderzoekers van, onder meer, Google en Harvard een piepklein stukje (50 000 cellen) van de hersens van een vrouw in kaart gebracht. Die 50 000 cellen zijn verbonden via 130 miljoen synapsen.
De gegevensverzameling van dit piepkleine stukje grijze materie heeft een omvang van 1,7 petabytes (peta=1015), ruwweg de capaciteit van 700 harde schijven van een moderne computer. Die is zo groot dat tot nu toe nog niemand die in detail heeft kunnen bestuderen, zegt Viren Jain van Google Research in Mountain View. Hij vergelijkt die met die van het menselijk genoom, dat twintig jaar na ‘voltooiing’ van de uitlezing nog steeds wordt bestudeerd.
De mammoetonderneming stond onder leiding van Jeff Lichtman. De donor in kwestie leed aan onbehandelbare (althans met medicijnen) epilepsie. Vervolgens werd bij de 45-jarige het linkerdeel van de hippocampus verwijderd dat de bron van die aanvallen zou zijn. Daarvoor moesten de chirurgen een stukje van de hersenschors verwijderen.
Dat werd meteen op ‘sterk water’ gezet en gekleurd door zware metalen zoals osmium om de celmembranen zichtbaar te maken onder een elektronenmicroscoop. Vervolgens werd het stukje hersens ‘ingepakt’ in een hars, waarvan plakjes gesneden werden die 30 nm dik (een nm is eenmiljoenste mm).
Hier namen de ’troepen’ van Jain van Google het over. Ze ‘construeerden’ uit de microscoopbeelden van die uiterst dunne plakjes hersens een driedimensionaal beeld. Met behulp van een zelflerend systeem reconstrueerden ze de verbindingen tussen de cellen en werden de cellentypen benoemd. Jain: “Die hele gegevensverzameling gaat over een mm3 hersens. Dat is zoiets als een beeldpunt in een mri-opname. Het is geweldig te zien wat er allemaal in dat mri-beeldpunt verstopt zit.”
Ervaring
De onderzoekers konden zich verbazen over de complexiteit van de verbindingen tussen die ongeveer 50 000 hersencellen. Zo konden sommige celuitlopers wel twintig synapsen vormen op het doelneuron. Waarom dat is is duister, maar Lichtman speculeert dat die multisynapsverbindingen te maken zouden kunnen hebben met verworven kennis, ervaring dus. Ook zagen de onderzoekers cellen die ze nooit eerder gezien hadden. Lichtman: “Twee cellen wezen precies in de tegenovergestelde richting op dezelfde as.” Waarom is duister.
Volgens hem zijn muizenhersentjes maar duizend keer groter dan dit stukje mensenhersens. “Een exabyte in plaats van peta-. Dat kunnen we misschien met een jaar of tien aan.” Als we het over mensenhersens hebben dan hebben we het over nog een factor duizend groter. Dan komen van aan de zettabyte. Dit soort operaties zou ook kunnen worden gebruikt voor het bestuderen van afwijkende/ziekelijke hersendelen, denken de onderzoekers. Voorlopig zullen ze zich nog tevreden moeten stellen met piepkleine deeltjes van onze hersens…
Bron: New Scientist