Spontaneous neural activity in the developing ant olfactory system

Het brein is geen statische machine die in één keer wordt gebouwd; het is een levende structuur die zichzelf moet bedraden terwijl het groeit. In het olfactorische systeem, de reukzin, is dit bedradingsproces bijzonder ingewikkeld. Miljoenen minuscule zenuwcellen, die elk zijn afgestemd op het detecteren van een specifieke geur, moeten hun weg vinden naar de juiste bestemming in het brein om een functionele kaart te vormen. Decennialang hebben wetenschappers gedebatteerd over hoe deze cellen navigeren. Bij fruitvliegjes lijkt het blauwdruk alleen in de genetische code van de cellen geschreven te zijn, die hen naar hun doel leidt zonder dat ze eerst met elkaar hoeven te "praten". Bij zoogdieren is het proces echter dynamischer en leunt het op spontane elektrische signalen die vuren nog voordat het dier een geur tegenkomt. Deze signalen fungeren als een repetitie, die de zenuwcellen helpt om zichzelf te sorteren en correct te verbinden. De vraag die lang onbeantwoord bleef, is waar mieren in dit plaatje passen. Mieren bezitten een reukzin die die van zoogdieren evenaart of zelfs overtreft, met honderden verschillende geurreceptoren en een hersengebied dat vol zit met duizenden kleine verwerkingseenheden. Gezien deze complexiteit leek het mogelijk dat mieren zouden vertrouwen op dezelfde actieve, signaalgestuurde ontwikkeling die bij zoogdieren wordt gezien, in plaats van de eenvoudigere, vooraf geprogrammeerde methode van de fruitvlieg.

Om dit puzzelstuk op te lossen, richtten onderzoekers zich op een unieke insect: de klonale rovermier. In tegen alles wat gebruikelijk is bij de meeste insecten, die tijdens hun transformatie van larve naar volwassene in een harde, ondoorzichtige schil zitten, zijn de poppen van deze mierensoort transparant en missen ze een beschermende cocon. Deze biologische eigenaardigheid stelde wetenschappers in staat om direct in het levende brein van een ontwikkelende mier te kijken zonder deze open te snijden. Met behulp van een gespecialiseerde microscoop die diep in weefsel kan kijken, observeerde het team de zenuwcellen die verantwoordelijk zijn voor de reuk in realtime. Ze hadden deze mieren genetisch gemanipuleerd zodat ze een gloeiend eiwit dragen dat oplicht wanneer een zenuwcel actief wordt, waardoor het onzichtbare elektrische geklets van het brein verandert in een zichtbare flits van licht. Door deze flitsen gedurende meerdere dagen te registreren, konden de onderzoekers observeren hoe het reuksysteem zichzelf opbouwde vanaf het begin van de metamorfose tot het moment dat de volwassen mier klaar was om te verschijnen.

Wat ze zagen, was een verhaal van veranderende ritmes. In de vroegste dagen van de ontwikkeling, toen de geurcentra van het brein net begonnen vorm te krijgen, waren de zenuwcellen actief maar chaotisch. Ze vuurden signalen af op eigen kracht, volledig onafhankelijk van elkaar. Sommige cellen bruisten van korte, snelle uitbarstingen van activiteit, terwijl anderen lange, trage pulsen vasthielden. Er was geen patroon dat de cellen verbond; elke cel leek zijn eigen ding te doen. Deze ongecoördineerde activiteit hield ook stand tijdens de middelste stadia van de ontwikkeling. Zelfs toen het aantal zenuwcellen groeide en de hersenstructuren duidelijker werden, bleven de signalen grotendeels onverbonden, wat suggereert dat de cellen nog niet op een gesynchroniseerde manier met elkaar communiceerden. Deze bevinding daagde het idee uit dat het complexe reukvermogen van de mier zich precies zou ontwikkelen zoals dat van de fruitvlieg, waarbij dergelijke activiteit vaak afwezig is, maar het verschilde ook van de hooggeorganiseerde golven van activiteit die worden gezien in de ontwikkelende ogen van zoogdieren.

De ware verrassing kwam toen de poppen bijna aan het einde van hun transformatie waren, slechts een dag of twee voordat ze als volwassenen zouden uitkomen. In deze late fase verdween de chaotische, onafhankelijke activiteit. In plaats daarvan ontstond er een krachtige, ritmische puls die door het hele systeem spoelde. Plotseling begon elke zenuwcel in beide antennes van de mier in perfect unisono te vuren. Dit waren geen willekeurige pieken, maar grote, zaagtandvormige activiteitsgolven die samen opkwamen en weer afnamen, waarbij de linker- en rechterkant van het brein een gecoördineerde dans uitvoerden. Dit globale evenement was zo sterk dat het zelfs zonder de krachtige microscoop te zien was, simpelweg door naar de gloeiende antennes te kijken onder een standaard lichtbron. De onderzoekers merkten op dat hoewel de timing van deze golven per mier varieerde, de synchronisatie tussen de twee antennes nauw aansluitend was, wat wijst op een laatste, systeembrede repetitie voordat de mier de wereld betreedt.

Deze observaties suggereren dat de ontwikkeling van het olfactorische systeem van de mier een pad volgt dat meer lijkt op dat van zoogdieren dan op dat van fruitvliegen. De aanwezigheid van spontane activiteit, die van karakter verandert naarmate het dier rijpt, impliceert dat het brein niet louter een rigide genetisch script volgt. In plaats daarvan lijken de zenuwcellen deze interne signalen te gebruiken om zichzelf te sorteren en hun verbindingen te verfijnen. De vroege, ongecoördineerde activiteit kan de cellen de ruimte geven om hun verbindingen te testen, terwijl de late, gesynchroniseerde golven kunnen dienen als een laatste controle om te verzekeren dat het hele netwerk klaar is om te functioneren. Hoewel de studie nog niet heeft bewezen dat deze signalen strikt noodzakelijk zijn voor de correcte vorming van het brein, opent de ontdekking een nieuwe deur. Het suggereert dat de complexe sociale wereld van mieren, die zwaar leunt op chemische communicatie, een ontwikkelingsproces heeft gedreven dat even geavanceerd is als het systeem dat het bouwt. De klonale rovermier is hiermee toegetreden tot de rangen van modelorganismen die wetenschappers in staat stellen om te zien hoe het brein zichzelf opbouwt, wat een zeldzaam inkijkje biedt in hoe een complex reukvermogen tot leven komt.