Het kostte twintig jaar om deze doorsnee van een rattenbrein te maken

Deze hypnotiserende brei is geen kunst; het is een digitaal gereconstrueerde doorsnee van de hersenen van een rat, en het heeft twintig jaar geduurd om die samen te stellen.

In een onderzoek dat donderdag gepubliceerd werd door het tijdschrift Cell, presenteerden onderzoekers van het Blue Brain Project hun eerste ontwerp van een digitaal gereconstrueerd deel van de hersens van een jonge rat – het neocorticale microcircuit om precies te zijn. Het bestaat uit 31.000 neuronen, 55 cellagen en 207 verschillende subtypes van neuronen.

Het doel van het Blue Brain Project is om digitale reconstructies en simulaties van het rattenbrein te maken, en in de toekomst ook van mensenhersenen. Met het onderzoek willen de onderzoekers inzicht krijgen in de manier waarop data in de neurowetenschap gemeten kan worden, en deze kennis toepassen door nieuwe computerapparatuur te bouwen.

"We zijn blij met het resultaat," vertelt Sean Hill, co-director van het Blue Brain Project van de Ecole Polytechnique de Lausanne. "We hebben veel inzicht gekregen in hoe je zo'n microcircuit moet bouwen, dus in de toekomst zullen we ze nog sneller kunnen maken. Ook kunnen we nog veel leren van het hele hersencircuit: het kan een grote hoeveelheid berekeningen doen zonder zich ontzettend veel in te spannen. We zijn benieuwd wat we daarvan kunnen toepassen op computertechnologie.

Neurowetenschappers over de hele wereld werken al jaren om iets van het brein te begrijpen. Tot dusver hebben ze dit circuit in beeld gebracht, verschillende neuronen onderzocht, en gemeten hoe ze werken. Maar het digitaal reconstrueren van het hele brein is nog altijd een pittige klus, aangezien het orgaan zo ingewikkeld in elkaar zit. "We zijn nog lang niet in staat om alle inhoud en eigenschappen van de hersens systematisch en volledig te meten, omdat het simpelweg te complex is," zegt Hill.

Hill sloot zich in 2006 aan bij het Brain Project. In het begin gingen de onderzoekers uit van eerder werk van Henry Markram, de directeur van zowel Blue Brain als het Human Brain Project. Markram mat alle eigenschappen van één circuit binnen de hersenen (het corticale microcircuit van een rat), maar wilde deze kennis niet binnen de vier muren van zijn laboratorium houden. "In 2005 kreeg Henry het idee dat we deze data moesten ordenen, zodat we het hersencircuit wat beter konden begrijpen," zegt Hill. "Zo werd het Blue Brain Project geboren."

In de jaren die volgden, hebben de onderzoekers een supercomputer van IBM gebruikt om een reconstructie te maken van een neocorticaal microcircuit. Ze voerden simulaties uit van de elektrische activiteit, zodat ze konden begrijpen hoe alles binnen dat stukje brein met elkaar samenhing. "We wilden weten hoe deze neuronen op elkaar inwerken, hoe ze communiceren en hoe ze met elkaar samenhangen als netwerk," zegt Hill.

Binnen het digitale deel van de hersenen vliegen calciumionen rond, die invloed hebben op de verschillende staten van het brein. Met dit onderzoek kunnen de onderzoekers nagaan waar deze ionen zich bevinden, en hoeveel het er zijn. Ook kunnen ze simuleren hoe neuronen zich gedragen onder verschillende omstandigheden, of zoals Markram het in een persconferentie noemde: "Een spectrum van staten."

"Het is een machtig gereedschap dat het mogelijk maakt om data te manipuleren, en om te begrijpen hoe hersenstaten en ziektes kunnen ontstaan," vertelt Idan Segev, co-auteur van het onderzoek en hoogleraar computational neuroscience aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. De resultaten van het onderzoek zijn toegankelijk voor zowel het publiek als de wetenschappelijke gemeenschap. Het idee daarachter is om wetenschappers over de hele wereld samen te laten werken en gebruik te maken van alle data die tot dusver verzameld is.

"Dit is nooit eerder gedaan. Er is nooit eerder een poging ondernomen om alle beschikbare data over dit specifieke brein te verzamelen en te integreren," zegt Hill. "Het is een klein hersencircuit, maar het vertegenwoordigt het circuit van de cortex van de rat. Het is nog een grote klus om dit ook toe te passen op het menselijke brein, maar de eerste stap is gezet." De volgende stap is om eerst grotere delen van het knaagdierenbrein te onderzoeken.