Volledige bedrading van worm in kaart

Hoe komen hersenfuncties voort uit de manier waarop zenuwcellen onderling met elkaar verbonden zijn? Voor de neurowetenschap is het één van de grote vragen.

Het antwoord komt een stap dichterbij nu onderzoekers deze maand in Nature de meest complete neurale kaart tot nu toe publiceerden van het miniwormpje Caenorhabditis elegans. Geneticus Scott Emmons van het Albert Einstein College of Medicine in New York en zijn collega’s maakten een reconstructie van het zenuwstelsel op basis van tienduizenden opnames met een elektronenmicroscoop, waarvan een groot deel al gemaakt was in de jaren tachtig. Alle zenuwcellen van het wormpje en de onderlinge verbindingen staan erop aangegeven.

De onderzoekers hopen met deze kaart de neurale netwerken te ontcijferen die verantwoordelijk zijn voor het gedrag van het wriemelende beestje. En ze willen die bevindingen uiteindelijk ook gebruiken om andere dieren, waaronder de mens, te onderzoeken.

Driehonderd zenuwcellen

Het vakgebied waarin wetenschappers alle verbindingen in het zenuwstelsel van een organisme in kaart brengen heet connectomics. Om te ontdekken hoe de menselijke hersenen bedraad zijn, kijken ze naar simpelere organismen. In de neurowetenschap wordt C. elegans, slechts een millimeter lang, gebruikt als model om te onderzoeken hoe meer complexe dieren zich ontwikkelen.

Het wormpje bestaat uit ongeveer duizend cellen, waarvan een derde het zenuwstelsel beslaat. Zijn zenuwstelsel ligt in een lange sliert verspreid door het lichaam. In het hoofd zit een grote ring van zenuwcellen, waar de zware gegevensverwerking wordt uitgevoerd. Je zou het een breintje kunnen noemen.

Virtuele worm

Een mens zit veel ingewikkelder in elkaar dan het simpele wormpje, en toch hebben de soorten meer overeenkomsten dan je zou denken. Zowel wij als C. elegans reageren als reactie op prikkels uit de omgeving. We leren door associaties te maken: wij mensen leren bijvoorbeeld te stoppen bij een rood stoplicht, of onze hand terug te trekken als we iets heets aanraken. Op dezelfde manier kan het wormpje prikkels uit de omgeving leren associëren met de aanwezigheid van voedsel of gevaar. Bovendien gebruiken wormpjes en mensen soortgelijke stoffen in het brein die in staat stellen om te leren van ervaringen.

Door de structuur van het zenuwstelsel op te helderen hoopt de neurowetenschap meer inzicht te krijgen in het gedrag van dieren en hun keuzes. Of, als er een foutje in een neurale verbinding sluipt, hoe dat kan leiden tot ziekte. Vind de code in de bedrading en je kan een code in gedrag vinden, zoals het team van Emmons denkt.

Functie volgt op vorm

Overal in de biologie volgt functie op vorm, schrijft neurobioloog Douglas Portman van de University of Rochester in een begeleidend commentaar in Nature. De structuur van een vleugel geeft inzicht in hoe dieren vliegen, de anatomie van een long vertelt hoe gasuitwisseling plaatsvindt. Pas deze benadering toe op het brein, en je komt vast te zitten, zo ingewikkeld is het.

“De gelatineachtige consistentie van het zoogdierenbrein bevat een bijna onbegrijpelijke cellulaire complexiteit. Miljarden zenuwcellen, die via triljoenen verbindingen op elkaar inwerken, vormen circuits die prikkels ontvangen, herinneringen opslaan en emoties opwekken”, schrijft Portman. Met een complete kaart van deze verbindingen gaan we beter begrijpen hoe de hersenen werken, is hij van mening.

Portman speculeert over de verre toekomst, als het lukt om op basis van een neurale kaart een virtuele worm te bouwen die in een computer ‘leeft’. “Alleen als we het zenuwstelsel nauwkeurig kunnen nabootsen en manipuleren, kunnen we echt beginnen om het te begrijpen.”