Wetenschappers hebben alle 54,5 miljoen verbindingen in het brein van een fruitvliegje in kaart gebracht.

In het brein van een enkele fruitvlieg weven zenuwcellen zich samen, waardoor ze kan vliegen, paren, eten, slapen en elke andere activiteit van haar vliegenleven uitvoert. Nu melden wetenschappers in negen artikelen die op 2 oktober zijn gepubliceerd in Nature, het eerste complete kaart van haar zenuwcellen - alle 139.255 ervan, om precies te zijn - en hun 54,5 miljoen verbindingen.

Deze volledige hersenkaart, in de loop van jaren met nauwgezette precisie getraceerd, is klein maar voortreffelijk: het bevat 149,2 meter neurale bedrading, allemaal keurig verpakt in een brein ter grootte van een maanzaadje. Als zodanig toont deze kaart hoe neurale informatie kan stromen tussen cellen in Drosophila melanogaster, een dier dat eenvoudiger is dan een mens maar toch complex genoeg blijft om mysterieus te blijven voor mensen die zijn hersenen proberen te begrijpen.

"Dit werk is absoluut fascinerend," zegt hersenwetenschapper Olaf Sporns van de Indiana University in Bloomington. Terug in 2005 bedachten hij en zijn collega's de term "connectoom," een boekhouding van de verbindingen tussen zenuwcellen, of neuronen. In de bijna 20 jaar sindsdien hebben wetenschappers meer connectomen in kaart gebracht, waaronder die van mannelijke en hermafrodiete C. elegans-wormen, een larvale fruitvlieg, kleine stukjes muizen- en mensenhersenen, en een deel van de hersenen van een volwassen fruitvlieg. Dit nieuwste fruitvlieg-connectoom is de grootste in zijn soort.

"Toen connectomics voor het eerst begon, leek het bijna alsof je met wetenschap fictie bezig was om een kaart zoals deze te maken," zegt Sporns. "En nu, verbazingwekkend genoeg, is hier dan ook echt."

Het project omvatte elektronenmicroscopiebeelden van meer dan 7000 dunne plakjes van de hersenen van een vrouwelijke fruitvlieg en machine learning die de complexe wendingen van neuronen uitlijnde en cellen traceerde door verschillende plakjes. Machine learning bracht de onderzoekers dichtbij het complete connectoom. "Maar mensen zijn nog steeds nodig om de fouten te corrigeren," zegt Sven Dorkenwald, een computationeel hersenwetenschapper die aan het project werkte bij de Princeton University en die nu bij het Allen Institute for Brain Science en de Universiteit van Washington in Seattle is. Honderden mensen uit meer dan 50 laboratoria hebben de kaart gecorrigeerd met menselijke ogen, waarbij ervoor werd gezorgd dat de vormen van de cellen waren zoals ze leken. Het was een grote klus, van begin tot einde.

"Dachten we dat het zo lang zou duren, bijna 20 jaar later zouden we het fruitvlieg-connectoom hebben? Waarschijnlijk niet," zegt Sebastian Seung, een computationeel hersenwetenschapper aan de Princeton University. "Maar optimistische mensen zorgen voor vooruitgang."

In de beginjaren was werken aan een connectoom-kaart "een tegendraadse zaak om te doen," zegt Seung. "De meeste mensen vonden het gek. Er waren twee bezwaren. Ten eerste is het niet mogelijk, en ten tweede, zelfs als je succesvol was, zouden de gegevens nutteloos zijn."

Maar de gegevens hebben hun nut al bewezen, waarbij ze cellulaire details en sappige hints over hoe hersenen werken onthullen. Zo zijn er bijvoorbeeld slechts twee CT1-neuronen in het hele vliegenbrein, elk betrokken bij het waarnemen van veranderingen in licht en beweging. Elk neuron strekt zich uit over een heel oog en maakt een enorm aantal synapsen - meer dan 148.000, zo blijkt uit de kaart.

Een andere analyse sorteert sommige neuronen in klassen die "integrators" worden genoemd, die een groot aantal berichten van andere cellen ontvangen, of "broadcasters," die signalen naar een groot publiek sturen. Deze megafooncellen kunnen helpen signalen te verspreiden, maar op selectieve manieren.

En nu het connectoom in kaart is gebracht, zijn wetenschappers begonnen met het bouwen van computermodellen van hoe informatie door de hersenen stroomt. "Je begint met de verbindingen tussen neuronen, en dat helpt je bij het opbouwen van een simulatie van een netwerk," zegt Seung. "Het is een volstrekt voor de hand liggende aanpak maar je zou het niet kunnen doen als je het connectoom niet had."

Een nieuw onderzoek toont bijvoorbeeld aan hoe smaakneuronen andere downstreamcellen kunnen activeren. En dat is nog maar het begin, zegt Seung. "Mijn grap voor de sciencefictionliefhebbers is dat er weliswaar een vlieg moest worden geofferd voor dit experiment, maar deze vlieg zou eeuwig kunnen voortleven in de simulatie."

Sporns kijkt ook naar de toekomst: "Ik zie een toekomst voor me waarin connectoomkaarten nog completer en gedetailleerder worden, binnenkort worden ook hersenen van gewervelden zoals muizen en mensen opgenomen," zegt hij. Die kaarten zullen helpen bij het beantwoorden van grote vragen over hersenconnectomen: of ze variabel zijn tussen individuen, of ze in de loop van de tijd veranderen, en of ze kunnen helpen bij het voorspellen van gedrag.