In een reeks van negen papers in het vakblad Nature presenteerden onderzoekers de meest gedetailleerde breinkaart ooit: het volledige connectoom van een fruitvlieg. Wat betekent deze mijlpaal voor de toekomst van de neurowetenschap?
Het volledige vliegenbrein in kaart
Je beslissing om dit artikel te lezen, het omzetten van lichtprikkels op je netvlies tot een beeld van deze tekst, het interpreteren van een reeks woorden tot een coherent verhaal – dit alles wordt aangestuurd door je hersenen. Maar hoe slaagt ons brein hierin? Het antwoord op deze vraag kennen we nog steeds niet helemaal. Dat komt onder andere doordat we nog altijd niet goed weten hoe onze hersenen eruitzien. Grosso modo wel, natuurlijk, maar niet als we inzoomen op de tientallen miljarden neuronen en hoe die exact met elkaar verbonden zijn. Daarover tasten we nog grotendeels in het duister. Onderzoek in andere dieren kan hierbij helpen, en recent is daar een grote doorbraak in gerealiseerd – het volledig in kaart brengen van het brein van de fruitvlieg.
Vijftig miljoen connecties in de hersenen van de fruitvlieg in kaart gebracht
Meer dan een half miljard jaar geleden ontstonden de eerste zenuwstelsels, netwerken van cellen die met elektrische en chemische signalen snelle communicatie binnen een organisme toelieten. Alle dieren, op sponzen na, bezitten nu zo’n zenuwstelsel, gaande van een diffuus web in kwallen tot een centraal aangestuurd netwerk bij de meeste dieren. Aangezien deze geëvolueerd zijn uit een gemeenschappelijke voorouder, zien we ook treffende gelijkenissen tussen al deze dieren: hoe elektrische signalen doorgegeven worden, welke chemische signaalmoleculen aanwezig zijn, en de types netwerkstructuren die we terugvinden.
Dankzij deze overeenkomsten kunnen we modelorganismen gebruiken om onze eigen hersenen beter te begrijpen. Een wirwar aan 86 miljard zenuwcellen ontrafelen is namelijk geen gemakkelijke klus; 140 duizend blijkt een meer haalbare opdracht, bewees een internationaal consortium van honderden onderzoekers in oktober vorig jaar. Zij brachten het brein van de fruitvlieg Drosophila melanogaster volledig in kaart – het zogeheten ‘connectoom’, het geheel van neuronen en connecties die ze met elkaar maken in een zenuwstelsel. Met behulp van elektronenmicroscopie en artificiële intelligentie achterhaalden ze van elk neuron met welke andere neuronen het in contact staat en identificeerden zo meer dan 50 miljoen connecties binnen de hersenen van een volwassen vrouwtjesvlieg.
Van het connectoom van een rondworm naar dat van de fruitvlieg
Het in kaart gebrachte vliegenbrein markeert een mijlpaal in de neurowetenschap. Toch is de fruitvlieg niet het eerste dier waarvan het zenuwstelsel volledig in kaart is gebracht. Die titel gaat naar de microscopische rondworm Caenorhabditis elegans, een populair modelorganisme in de ontwikkelings- en neurobiologie, die al bijdroeg aan vier Nobelprijzen en wereldwijd bestudeerd wordt in zo’n duizend laboratoria. Reeds in 1986 werden alle connecties tussen de 302 neuronen van deze worm bepaald.
Om dit te verwezenlijken werd de worm in flinterdunne plakjes gesneden, die vervolgens met een elektronenmicroscoop in beeld gebracht werden. Dan begon het echte werk: manueel coupe per coupe bestuderen, om zenuwcellen te herkennen en over de plakken heen te volgen. Zo konden alle neuronen en hun verbindingen uiteindelijk geïdentificeerd worden. Dit was een werk van zo’n 15 jaar, in het labo van Sydney Brenner – de vader van C. elegans-onderzoek – aan het Laboratory of Molecular Biology in Cambridge.
Waarom heeft het dan zo lang geduurd voordat er nog een volledig brein in kaart is gebracht? Manueel coupes annoteren is doenbaar voor 302 neuronen, maar voor tienduizenden cellen is dat onbegonnen werk. De opkomst van artificiële intelligentie was nodig om die taak (gedeeltelijk) over te nemen. Daarnaast hebben verbeteringen in elektronenmicroscopie ook significant bijgedragen aan deze realisatie.
In brede termen gingen de onderzoekers hetzelfde tewerk. Het brein van één zeven-dag-oude vrouwtjesvlieg werd in 2013 gefixeerd en vervolgens in ultradunne coupes gesneden. Daar trokken ze miljoenen foto’s van met een elektronenmicroscoop. Nieuw ontwikkelde software nam het manuele werk van vroeger over – beeld per beeld neuronen herkennen, en ze over de beelden heen verbinden. Maar AI is niet perfect, dus moest een team Drosophila-experten manuele inspecties uitvoeren om alle fouten recht te zetten. Opgeteld duurde dat zo’n 30 personenjaren, en werden er meer dan 3 miljoen fouten handmatig verbeterd. Ten slotte werden alle neuronen onderverdeeld in celtypes, en werd het geheel in een interactieve interface gegoten voor gebruiksgemak. En zo kregen we na ongeveer tien jaar werk het connectoom van een vliegenbrein.
De papercollectie in Nature toont de diverse voordelen van het connectoom aan
In een verzameling aan negen papers in het vakblad Nature stelden de wetenschappers deze breinkaart van de fruitvlieg voor, alsook een aantal demonstraties van hoe deze nieuwe informatie gebruikt kan worden. Samen tonen ze dat het connectoom een poort openzet naar een hele waaier aan potentiële ontdekkingen.
Drie papers in de collectie beschrijven hoe het connectoom zelf opgebouwd is. Dorkenwald et al. deden het werk om het zenuwnetwerk in kaart te brengen; Schlegel et al. verdeelden de 140 duizend neuronen onder in zo’n 8500 celtypes, waarvan meer dan de helft nieuw ontdekt zijn; en Lin et al. bepaalden de netwerkstructuren van het zenuwstelsel.
Daarnaast focussen twee studies zich op het verder in kaart brengen van het uitgebreid visueel systeem van de vlieg. Matsliah et al. bepalen in nog meer detail alle celtypes, hun kenmerken en connectiviteit. Garner et al. onderzoeken hoe visuele informatie tijdens navigatie verwerkt wordt in het brein.
De meerwaarde van het connectoom is dat het gebruikt kan worden om experimenten richting te geven. Seung doet dit door op basis van het connectoom voorspellingen te maken over ongekende hersencircuits en hun functie. Zo voorspelt hij dat bepaalde celtypes in het visueel systeem van de fruitvlieg betrokken zijn bij vormherkenning, op basis van hun onderlinge connecties. Dit kan in verder onderzoek experimenteel bevestigd worden. Sapkal et al. kiezen een omgekeerde aanpak: zij vertrekken vanuit gedragsexperimenten waarbij fruitvliegen abrupt stoppen met lopen, bijvoorbeeld bij het naderen van een obstakel. Vervolgens gebruiken ze het connectoom om het volledige neurale circuit in kaart te brengen dat dit stopgedrag aanstuurt.
Naast het ontdekken van hersencircuits en hun functie, kan de kennis van het connectoom ook bijdragen aan computermodellen van het brein, om zo de werking van zenuwstelsels globaal te doorgronden. Shiu et al. bouwden een model van het vliegenbrein na op een computer. Daarmee konden ze voorspellen welke neuronen reageren op verschillende smaken, wat ze experimenteel bevestigden. Pospisil et al. probeerden het zenuwstelsel onder te verdelen in subcircuits, en onderzochten in hoeveel detail je moet gaan om de werking van het zenuwstelsel juist te begrijpen.
Wat is het nut van het connectoom voor onderzoek?
Het belang van het connectoom en de impact ervan op onderzoek is niet te onderschatten. Dat weten we op basis van de impact die het eerste connectoom, dat van de rondworm C. elegans, op neurowetenschappelijk onderzoek heeft gehad. Dankzij het connectoom konden onderzoekers in detail gaan uitpluizen hoe het zenuwstelsel gedrag aanstuurt. Het legde daarmee de basis voor het veld van gedragsneurobiologie in C. elegans, en is tegenwoordig niet meer weg te denken uit die discipline.
Om te begrijpen hoe informatie die binnenkomt in de hersenen wordt omgezet in een specifiek gedrag, moet je weten hoe die informatie tussen neuronen wordt doorgegeven en verwerkt. Net zoals een wegenkaart je kan helpen om van punt A naar punt B te geraken, helpt het connectoom bij het bepalen hoe informatie van punt A naar punt B in de hersenen wordt doorgegeven. Als je weet dat een bepaalde cel van belang is voor een specifiek gedrag, kan je de kaart gebruiken om te ontrafelen welke andere cellen ermee verbonden zijn, en dus misschien ook een rol spelen. Zo kan je het pad volgen van de zintuigen waarlangs sensorische informatie binnenkomt tot de zenuwcellen die spieren aandrijven.
Op die manier kunnen een heleboel vragen beantwoord worden: Hoe wordt een zintuiglijke waarneming omgezet in een gedrag? Hoe beïnvloeden verschillende prikkels dat gedrag? Hoe wordt die informatie opgeslagen en uit geleerd? En wat gebeurt er als daar iets bij mis loopt?
Waarom we meerdere connectomen willen realiseren
C. elegans en D. melanogaster zijn beiden ongewervelde dieren waarin genetisch onderzoek snel kan worden uitgevoerd. Als we toch al het wormconnectoom hebben, waarom willen we er dan ook een van de fruitvlieg? Eerst en vooral zijn er grote voordelen verbonden aan het in kaart brengen van verschillende zenuwstelsels. De kracht van verschillende modelorganismen te bestuderen ligt er juist in om ze te vergelijken, en zo universele mechanismen te ontdekken. Door de overeenkomsten te bestuderen kan men zoeken naar fundamentele principes die aan de basis liggen van de werking van zenuwstelsels.
Daarnaast is de grote meerwaarde van de fruitvlieg tegenover de worm dat het gaat over een netwerk die meerdere grootteordes complexer is. Van 302 naar 140 duizend neuronen is een indrukwekkende sprong, en een gelijkaardige factor verschil als nu van de vlieg naar de muis, die zo’n 70 miljoen zenuwcellen heeft. De technologische vooruitgang die hierbij gemaakt is, is een cruciale stap voor de opschaling naar nog grotere breinen.
Verder zijn er zintuigen en gedragingen die goed ontwikkeld zijn in de fruitvlieg, maar die moeilijker of niet te bestuderen zijn in de rondworm. Het voornaamste voorbeeld is zicht, en al het gedrag dat hierdoor aangestuurd of beïnvloed wordt. Meer dan de helft van het vliegenbrein is hieraan gewijd. Zo kan de vlieg dus gebruikt worden als model om beter te begrijpen hoe het brein, en op termijn ook onze hersenen, visuele informatie verwerkt.
Daarnaast biedt ook C. elegans een heleboel unieke voordelen. Boven op het connectoom werd recent een moleculaire atlas van het ganse zenuwstelsel in kaart gebracht. Hierdoor kan de link gemaakt worden tussen de connectiviteit van elk neuron en de chemische boodschappers of andere moleculen die de cel aanmaakt. Daarnaast is de worm ook transparant en zijn er technieken ontwikkeld waarmee de activiteit van elk neuron in een levend individu in beeld kan worden gebracht. Hiermee kunnen we ontcijferen hoe hersenactiviteit tot stand komt uit het netwerk van alle neuronen en hun onderlinge verbindingen.
Een wegenkaart heeft zijn limieten, zo ook het connectoom
Uit veertig jaar onderzoek hebben we niet alleen het nut van het connectoom geleerd, maar ook de tekortkomingen ervan. Vergelijk het opnieuw met een wegenkaart: die vertelt je welke steden verbonden zijn, maar zegt niets over hoe druk het op de baan is, welke wegen het vaakst gebruikt worden of hoe verkeerslichten en GPS-systemen het verkeer aansturen. Zo vertelt het connectoom je dus ook niet welke cellen er op een bepaald moment actief zijn, welke connecties tussen cellen gebruikt worden, en hoe dit allemaal beïnvloed wordt door neuromodulatoren – chemische stoffen die de activiteit van neuronen kunnen regelen.
Een verassende ontdekking bij de worm en de fruitvlieg is de enorme densiteit aan connecties tussen neuronen. Zo kan je in het connectoom bij de worm met amper drie sprongetjes van quasi elk neuron naar elk ander neuron geraken. Deze overmaat aan connecties doet vermoeden dat niet elke verbinding op elk moment functioneel is, en maakt de kaart dus moeilijker te interpreteren. De aansturing van welke connecties juist gebruikt worden is de taak van neuromodulatoren, kleine chemische boodschappers die net als slimme verkeerslichten het verkeer beïnvloeden.
Het belang van zulke neuromodulatie wordt steeds duidelijker. De anatomische verbindingen die in het connectoom gereconstrueerd werden, geven niet alle connecties tussen neuronen weer, maar slechts een deel ervan – het zijn enkel de fysieke verbindingen tussen neuronen via synapsen. Daarnaast heb je een minstens even complex (en cruciaal) communicatienetwerk, bestaande uit chemische boodschappers waarmee neuronen over langere afstanden met elkaar kunnen communiceren – zonder enig fysiek contact dus. Voorbeelden zijn korte eiwitten, neuropeptiden genaamd, en nog kleinere moleculen die monoaminen heten. Denk aan het ‘knuffelhormoon’ oxytocine of neuropeptide Y dat onze eetlust reguleert.
Enerzijds heb je dus het ‘bedraad’ netwerk aan fysieke verbindingen tussen neuronen, en anderzijds het ‘draadloos’ netwerk aan moleculen waarmee neuronen over synapsen heen kunnen communiceren. Deze ‘draadloze’ interacties zijn niet af te leiden uit de anatomie van de hersenen, zoals dit wel het geval is voor het netwerk aan synapsen, en werden voor C. elegans pas recent in kaart gebracht. Aangezien dit draadloos netwerk betrokken is bij nagenoeg elke hersenfunctie, zoals slaap, eetgedrag, agressie en geheugen, is het essentieel ook deze beter te begrijpen.
Om te onderzoeken welke neuronen en connecties actief zijn onder specifieke omstandigheden – als het licht uitgaat, tijdens het paren, of wanneer iets bijgeleerd wordt – zijn er recent ook geavanceerde technieken ontwikkeld die de activiteit van vele neuronen tegelijk kunnen visualiseren. Die kennis combineren met kaarten van synapsen en ‘draadloze’ interacties tussen neuronen, kan ons leren hoe hersenactiviteit tot stand komt en complexe gedragingen aanstuurt.
Gaan we dan ook veertig jaar moeten wachten op een draadloos netwerk en technieken om de activiteit van alle neuronen te meten in de fruitvlieg? Gelukkig niet. De technologie om dit te bereiken ligt nu voor handen, en onderzoekers zijn al volop bezig aan al deze aspecten in D. melanogaster. Dankzij lessen uit de worm en technologische doorbraken gaat het in de fruitvlieg dus waarschijnlijk veel sneller vooruitgaan.
Het is realistisch te verwachten dat de hersenen van de muis en zelfs de mens in kaart worden gebracht
De fruitvlieg zal niet het laatste dier zijn waarvan we het zenuwstelsel in kaart brengen. Het is realistisch dat de komende jaren stapsgewijs nog grotere hersenen, zoals van de muis, en als ultiem doel de mens in kaart gebracht worden. Het zal weliswaar bij elke stap moeilijker worden. Enerzijds zijn het aantal neuronen telkens enkele grootteordes hoger, wat het technisch een complexe taak maakt. Anderzijds zal de interpretatie ook een serieuze opdracht worden – na veertig jaar begrijpen we de 302 neuronen van C. elegans nog steeds niet, dus begin dan maar aan een netwerk van tientallen miljoenen of miljarden zenuwcellen…
Er zijn al stappen ondernomen om hersenkaarten van grotere breinen te maken. Zo is er een connectoom van een larvale zebravis, wat gaat over enkele duizenden cellen. Een kubieke millimeter van een muizenbrein is volledig in kaart gebracht, met tienduizenden cellen. Dat was een inspanning van meer dan honderd onderzoekers en honderd miljoen dollar, voor een volume van 0,2% van de hersenen. Ook in de mens is er zulk een kubusje in beeld gebracht, wat bij ons slechtst één miljoenste van ons heel brein vormt. We zijn dus nog ver van een menselijk connectoom, maar met de exponentiële vooruitgang in technologie en AI is het geen onrealistisch einddoel op de (heel) lange termijn.
Het zou echter kunnen dat het niet nodig is om de hersenkaart van een mens even gedetailleerd te maken als bij andere diermodellen. Uit modelorganismen met een kleiner brein kunnen we leren welk niveau van detail nodig is om de werking van een brein te begrijpen. Het zou dus kunnen dat we met een minder gedetailleerde kaart toch de werking van de menselijke hersenen kunnen ontrafelen.
Het in kaart brengen van het vliegenbrein is zonder twijfel een enorme stap vooruit voor de wetenschap. Op biologisch vlak zal het ons meer bijleren over hoe gedrag aangestuurd wordt door het brein, en door het te vergelijken met breinkaarten bij C. elegans (en op termijn andere dieren) zullen er diepere inzichten in de fundamentele werking van het zenuwstelsel komen. Op technisch vlak vormt het dan weer de volgende stap naar het menselijk connectoom.
Inzicht in de werking van het zenuwstelsel kan ons ook helpen te begrijpen wat er gebeurt wanneer het misloopt. Zo kan het connectoom bijdragen aan een beter begrip van hersenziektes. Als concreet voorbeeld zou je in een ziektemodel kunnen kijken hoe het connectoom verschilt, nu reeds in een vlieg, later in een muis of kubusje mensenbrein. Zo kunnen we mogelijk achterhalen hoe afwijkingen in hersencircuits gelinkt zijn met hersenaandoeningen of gedragsstoornissen.
Daarnaast weten we uit kleinere connectomen, zoals dat van C. elegans, dat inzicht in het draadloos netwerk van neuromodulatoren evenzeer belangrijk is om de werking van het zenuwstelsel te doorgronden. Weten wanneer welke verbindingen juist gebruikt worden, is cruciaal om te begrijpen hoe het zenuwstelsel gedrag aanstuurt.
Door de werking van deze kleine breinen te ontrafelen, kunnen we inzichten verwerven om onze zoektocht naar antwoorden in grotere hersenen richting te geven. Zo hoeven we misschien niet te wachten op een gedetailleerd, compleet connectoom van de mens om onze grijze massa te doorgronden.
Sven Dorkenwald, Arie Matsliah, Amy R. Sterling, et al., ‘Neuronal wiring diagram of an adult brain’, Nature, 634 (2024), 124–138.
Isabel Beets is hoofddocent biologie aan KU Leuven, en leidt de onderzoeksgroep Neural Signaling and Circuit Plasticity. Met haar onderzoek in C. elegans wil ze de moleculaire en cellulaire mechanismen waarmee het zenuwstelsel gedrag, leren en geheugen aanstuurt ontrafelen.
Lucas Mergan was postdoctoraal onderzoeker binnen het KU Leuven Departement Biologie. Zijn werk in C. elegans spitste zich tijdens zijn doctoraat toe op veroudering, en richtte zich later tot neurobiologie. Sinds 2025 werkt hij als coördinator wetenschapscommunicatie aan Hogeschool Odisee.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License