Stel je voor dat je naar de complexe en prachtige kaart van een hele stad staart, maar de stad is eigenlijk een brein. Klinkt geweldig, nietwaar? Welnu, wetenschappers hebben dit nu werkelijkheid gemaakt.
Deskundigen hebben het allereerste bedradingsschema, of ‘neuraal netwerk’, gemaakt van elk neuron in de hersenen van een volwassene, evenals de 50 miljoen verbindingen ertussen, wat een mijlpaal markeert op het gebied van de neurowetenschappen.
Compleet bedradingsschema van de hersenen
Dit project werd mogelijk gemaakt dankzij het FlyWire Consortium, een grote internationale samenwerking waarbij wetenschappers van over de hele wereld betrokken zijn MRC Laboratorium voor Moleculaire Biologie In Cambridge, Princeton University, de Universiteit van Vermont en Princeton University Universiteit van Cambridge.
Onderzoek dat is gepubliceerd in een paar artikelen in een tijdschrift natuurBiedt het eerste volledige connectiviteitsdiagram van alle 139.255 neuronen in de hersenen van een volwassen vlieg – een dier dat kan lopen en zien.
Eerdere studies hebben kleinere hersensystemen in kaart gebracht, zoals de larve van de fruitvlieg, die 3.016 neuronen bevat, of de nematodenworm, die 302 neuronen bevat.
De huidige studie is echter baanbrekend door een volledige neurale kaart van een complexer organisme te bieden.
Menselijke hersenen versus vliegenhersenen
Het in kaart brengen van elk neuron in de hersenen van volwassen fruitvliegjes is een belangrijke stap in het begrijpen hoe hersenen, inclusief die van ons, werken.
De fruitvlieg heeft ongeveer 140.000 neuronen, een klein aantal vergeleken met de 86 miljard neuronen in het menselijk brein, waardoor het veel gemakkelijker te bestuderen is.
Wetenschappers kunnen fruitvliegjes snel kweken en modificeren, waardoor ze genetica kunnen manipuleren en kunnen zien hoe veranderingen neurale circuits en gedrag beïnvloeden.
Deze eenvoud helpt onderzoekers de basisprincipes van de hersenfunctie te ontdekken zonder te verzanden in al te veel complexiteit.
Hersenkaarten geven inzicht in het menselijk brein
Interessant is dat veel biologische processen bij fruitvliegjes sterk lijken op die bij mensen. Genen en routes die de hersenontwikkeling, neuronverbindingen en leren controleren, blijven vaak bij alle soorten behouden.
Door het brein van de fruitvlieg in kaart te brengen, kunnen wetenschappers leren hoe deze processen in een eenvoudiger systeem werken en die inzichten vervolgens toepassen op complexere hersenen.
Bovendien onthult het begrijpen van hoe neuronen in vliegen communiceren algemene patronen van organisatie en gedrag van neurale circuits, wat ons kan helpen menselijk gedrag en cognitieve functies te begrijpen.
Ten slotte hebben de instrumenten en technieken die zijn ontwikkeld om het Drosophila-brein in kaart te brengen, de weg vrijgemaakt voor doorbraken in het neurowetenschappelijk onderzoek. Innovaties op het gebied van beeldvorming, genetische manipulatie en data-analyse uit Drosophila-onderzoeken kunnen worden aangepast om complexere hersenen te bestuderen, waaronder die van ons.
Inzichten van fruitvliegjes kunnen ook helpen bij het modelleren van neurologische ziekten en ontwikkelingsstoornissen, wat kan leiden tot mogelijke behandelingen voor mensen.
Lopend onderzoek in de neurowetenschappen
De bevindingen bieden waardevolle inzichten in de hersenstructuur en -functie en vormen een essentiële vergelijking met lopend onderzoek in de neurowetenschappen.
“Als we willen begrijpen hoe de hersenen werken, hebben we een mechanistisch begrip nodig van hoe alle neuronen in elkaar passen en je in staat stellen te denken. Voor de meeste hersenen hebben we geen idee hoe deze netwerken werken.
Een gedetailleerde kaart van het vliegenbrein zou veel van deze vragen kunnen beantwoorden en de complexiteit van neurale circuits kunnen onthullen.
Overeenkomsten in hersenbedrading
Een van de meest opvallende bevindingen van het onderzoek is de sterke gelijkenis in de gevonden verbanden tussen de huidige kaart en eerdere, kleinschaligere inspanningen.
Dit heeft tot de conclusie geleid dat individuele hersenen inherente overeenkomsten vertonen in hun bedrading, in tegenstelling tot de overtuiging dat elk brein een unieke structuur is.
Een reis om de hersenen in kaart te brengen
De weg naar deze prestatie bestond uit het in 7.000 dunne plakjes snijden van een volledig vliegenbrein, dat minder dan een millimeter breed is.
Deze plakjes werden vervolgens zorgvuldig onderzocht met behulp van een elektronenmicroscoop met hoge resolutie om de vormen van ongeveer 140.000 neuronen en de 50 miljoen verbindingen daartussen te extraheren.
De kracht van kunstmatige intelligentie
De taak om deze enorme hoeveelheid gegevens te analyseren wordt mogelijk gemaakt met behulp van machinaal leren, wat het potentieel van AI-technologie aantoont om een revolutie teweeg te brengen in de neurowetenschappen.
Om de nauwkeurigheid van de gegevens te garanderen, is naar schatting 33 jaar aan proefleeswerk nodig. Ondanks de uitdagingen hebben de resultaten van dit rigoureuze streven de weg vrijgemaakt voor toekomstige ontdekkingen in de neurowetenschappen.
Naast het simpelweg tot stand brengen van neurale verbindingen, hielden de onderzoekers ook rekening met veel details van het bedradingsschema, zoals de classificatie van meer dan 8.000 celtypen in de hersenen.
“Deze dataset lijkt een beetje op Google Maps, maar dan voor de hersenen: het initiële connectiviteitsdiagram tussen neuronen is hetzelfde als weten welke structuren op satellietbeelden van de aarde overeenkomen met welke straten en gebouwen”, legt Dr. Philipp Schlegel, eerste auteur van een van de de onderzoeken. studies.
Hersenfuncties simuleren
Het werk van de onderzoekers gaat verder dan alleen het in kaart brengen. Ze gebruikten ook AI-beeldscantechnologie om te voorspellen of elke synaps remmend of prikkelend was, een belangrijk aspect van het digitaal simuleren van de hersenen.
“Met behulp van onze gegevens, die online werden gedeeld terwijl we werkten, zijn andere wetenschappers al begonnen te proberen na te bootsen hoe het vliegenbrein reageert op de buitenwereld”, aldus dr. Jeffress.
“Dit is een belangrijk begin, maar we zullen veel verschillende soorten gegevens moeten verzamelen om een betrouwbare simulatie te maken van hoe de hersenen werken.”
Toekomstige onderzoeksrichtingen
Dit onderzoek heeft ongetwijfeld een revolutie teweeggebracht in ons begrip van de hersenen, maar de reis is nog lang niet voorbij. Naarmate we verder komen, zullen toekomstige studies de verschillen in neurale architectuur tussen de hersenen van mannelijke en vrouwelijke vliegen onderzoeken.
“De volledigheid van ons bedradingsschema heeft grote voordelen voor hersenonderzoek en maakt vele soorten onderzoeken mogelijk die voorheen niet mogelijk waren met behulp van bedradingsschema’s van delen van het vliegenbrein”, merkten de onderzoekers op.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift natuur.
—–
Vind je het leuk wat ik lees? Abonneer u op onze nieuwsbrief en ontvang boeiende artikelen, exclusieve inhoud en de laatste updates.
Bezoek ons op EarthSnap, een gratis app aangeboden door Eric Ralls en Earth.com.
—–
More Stories
Een nieuw rapport zegt dat het gebruik van ras en etniciteit soms “schadelijk” is in medisch onderzoek
SpaceX lanceert 23 Starlink-satellieten vanuit Florida (video en foto’s)
NASA zegt dat de “Halloween-komeet” zijn vlucht langs de zon niet heeft overleefd