The female larval fly CNS connectome: first draft

Om te begrijpen hoe een dier denkt of beweegt, kijken wetenschappers vaak naar het bedradingsschema van de hersenen, ook wel een connectoom genoemd. Deze kaart toont elke individuele neuron en de specifieke verbindingen, of synapsen, waar ze met elkaar communiceren. Net zoals twee mensen van dezelfde leeftijd en achtergrond verschillende handschriften of verschillende manieren kunnen hebben om een probleem op te lossen, kunnen zelfs genetisch identieke dieren een licht verschillende hersenbedrading hebben. Om te ontdekken welke delen van een brein flexibel zijn en welke rigide, moeten onderzoekers de hersenen van veel individuen in kaart brengen om te zien hoeveel ze variëren. Lange tijd was het creëren van deze kaarten ongelooflijk moeilijk omdat de structuren microscopisch klein zijn en de benodigde data enorm is. De fruitvlieg, Drosophila melanogaster, is al lang een favoriet onderwerp voor dit soort werk omdat het zenuwstelsel klein genoeg is om beheersbaar te zijn, maar complex genoeg om interessant te zijn. Hoewel wetenschappers al delen van het volwassen vliegenbrein in kaart hebben gebracht, is het larvale stadium — de kleine, wormachtige vorm die uit het ei komt — een grotendeels onontgonnen gebied gebleven, ondanks het feit dat dit een cruciale fase is waarin de hersenen leren het lichaam aan te sturen.

Een team van onderzoekers heeft nu het eerste volledige, zij het nog ruwe, bedradingsschema van het gehele centrale zenuwstelsel van een vrouwelijke fruitvlieglarve uitgebracht. Ze noemen deze dataset "Octo". Met behulp van een krachtig type elektronenmicroscoop dat door weefsel snijdt met extreme precisie, legden ze een driedimensionale afbeelding vast van de volledige hersenen en het zenuwstelsel van de larve. De resulterende afbeelding is een enorme blok aan data, vrij van de gaten en vervormingen die dergelijke projecten vaak teisteren. Vanuit deze ruwe afbeelding gebruikte het team kunstmatige intelligentie om automatisch de paden van neuronen te traceren, de kleine energiecentrales binnenin hen, de mitochondriën genoemd, te lokaliseren, de ondersteunende gliacellen te identificeren en te voorspellen waar de neuronen met elkaar verbinden. Dit werk biedt het eerste volledige zicht op het centrale zenuwstelsel van een larvale vlieg en biedt een fundament voor toekomstige studies die vele individuen zullen vergelijken om te begrijpen hoe hersencircuits variëren en hoe die variaties kunnen leiden tot verschillend gedrag.

De onderzoekers begonnen met het voorbereiden van een enkele vrouwelijke larve en het in beeld brengen hiervan met verbeterde focused ion beam scanning elektronenmicroscopie. Deze techniek stelde hen in staat om het weefsel te zien met een resolutie van 8 nanometer in elke richting, waarbij details zo klein als de membranen die cellen scheiden werden vastgelegd. Het uiteindelijke beeldvolume is enorm en bevat miljarden minuscule 3D-pixels die een fysieke ruimte vertegenwoordigen die ongeveer de grootte heeft van een korrel zand. Om deze data begrijpelijk te maken, paste het team een reeks computerprogramma's toe die patronen herkennen. Ze genereerden drie verschillende versies van de neuronkaart. Eén versie beslaat het gehele zenuwstelsel, inclusief de cellichamen waar neuronen worden geboren en de lange vezels die signalen dragen. Twee andere versies richten zich specifiek op de dichte wirwar van verbindingen in het centrum van de hersenen, bekend als de neuropil. Door de computergegenereerde kaarten te vergelijken met een klein aantal neuronen die menselijke experts zorgvuldig met de hand hadden gecontroleerd, stelde het team vast dat de meest uitgebreide kaart, gemaakt met een methode genaamd Flood-Filling Networks, het meest accuraat was in het intact houden van individuele neuronen zonder ze per ongeluk te splitsen of twee verschillende neuronen samen te voegen.

Naast het louter traceren van de draden, bracht het team ook de locaties van synapsen in kaart, de minuscule verbindingen waar een neuron een signaal doorgeeft aan een ander. Ze trainden een computermodel op een paar kleine, handmatig geannoteerde secties van de hersenen waar wetenschappers met grote zorg honderden verbindingen hadden geïdentificeerd. Zodig de model leerde hoe een synaps eruitzag in dit specifieke type afbeelding, scande het het gehele zenuwstelsel en voorspelde het meer dan 3,5 miljoen potentiële verbindingen. Hoewel deze voorspellingen nog niet perfect zijn en menselijke verificatie vereisen, vormen ze een eerste concept van het volledige communicatienetwerk. Het team bracht ook de mitochondriën in kaart, de energieproducerende organellen binnen de cellen, en de gliacellen, die de neuronen omhullen en ondersteunen. Deze aanvullende kaarten zijn belangrijk omdat de vorm en locatie van mitochondriën wetenschappers kunnen helpen te verifiëren of een neuron intact is, en de gliacellen bieden context voor de organisatie van de hersenen.

De auteurs zijn duidelijk dat deze release een startpunt is, geen eindproduct. De huidige kaarten zijn grotendeels ongecontroleerd, wat betekent dat hoewel de computer het zware werk heeft gedaan van het traceren van de structuren, een mens nog niet elke enkele lijn op fouten heeft gecontroleerd. Het handmatig corrigeren van de volledige dataset zou decennia aan werk kosten, dus het team hoopt dat hun release zal inspireren tot de ontwikkeling van betere computertools die biologische kennis kunnen gebruiken om fouten automatisch te corrigeren. Zo kan het weten dat mitochondriën meestal nabij het begin van een verbinding worden gevonden, een computerprogramma helpen beslissen of een gedetecteerde link echt is of een fout. Ondanks deze beperkingen is de dataset een belangrijke mijlpaal. Het is de eerste keer dat het gehele centrale zenuwstelsel van een larvale vlieg in één stuk is gereconstrueerd, en het is de tweede volledig in kaart gebracht brein van een eerste-instar vrouwtje. Door alle ruwe afbeeldingen, de computergegenereerde kaarten en de softwaretools publiekelijk beschikbaar te stellen, hebben de onderzoekers de wetenschappelijke gemeenschap een krachtige nieuwe bron overhandigd. Dit stelt andere wetenschappers in staat om te beginnen met het verkennen van hoe het brein van een larve zijn lichaam aanstuurt, hoe zintuiglijke informatie beweging beperkt, en hoe de bedrading van individuele vliegen van elkaar verschilt, wat de weg vrijmaakt voor een dieper begrip van hoe neurale circuits evolueren en functioneren.