Voor het eerst brengen wetenschappers hersenactiviteit in het gehele muizenbrein in beeld
Zeven jaar brachten onderzoekers van het International Brain Laboratory 279 hersengebieden op celniveau in kaart. Hun bevindingen verschijnen in Nature, data en software worden openbaar gedeeld. Cognitief neurowetenschapper Anne Urai: ‘Elke wetenschapper met een goede onderzoeksvraag kan de data gebruiken.’
'Lang was het als neurowetenschapper gebruikelijk om je favoriete hersengebied te onderzoeken,’ vertelt Anne Urai, onderzoeker bij de sectie Cognitieve Psychologie en hoofd van het Cognitive, Computational and Systems Neuroscience Lab. ‘Je bouwde dan zelf een apparaat om metingen te doen en ontwikkelde een eigen methode van analyse.’ Die zelfstandige manier van werken heeft één groot nadeel: ‘Je weet niet of je bevindingen repliceerbaar zijn, want daarvoor moet iemand anders jouw experiment precies kunnen herhalen.’ Bovendien, vertelt Urai, werden hierdoor sommige delen van het brein helemaal niet in kaart gebracht.'
International Brain Laboratory
Om daar verandering in te brengen, werd 2017 het International Brain Laboratory (IBL) opgericht. Urai sloot zich aan als postdoc bij het Cold Spring Harbor Laboratory in New York. Het IBL is een samenwerkingsverband van neurowetenschappers van twintig universiteiten in Europa en de VS. Geïnspireerd door grootschalige samenwerkingsprojecten uit de natuurkunde en biologie, zoals CERN en het Human Genome Project, stelde het onderzoeksteam zich als doel de gehele hersenactiviteit op celniveau in kaart te brengen.
279 breingebieden
‘Het brein is de meest complexe structuur die we kennen. Om te begrijpen hoe het brein gedrag stuurt, moesten we een internationale samenwerking opzetten die rechtdoet aan die complexiteit,’ vertelt Tom Mrsic-Flogel, professor aan de University College London en lid van het IBL, in een persbericht van Nature. Met behulp van gestandariseerde tools en analysemethoden lukte het twaalf verschillende muizenlabs om in zeven jaar tijd de activiteit van een half miljoen neuronen vast te leggen in 279 breingebieden die 95% het hersenvolume bestrijken.
Activiteit door het hele brein
Vandaag verschijnen de onderzoeksresultaten van het project in twee artikelen in Nature. Het eerste artikel gaat over wat er gebeurt in de hersenen van muizen wanneer ze een besluitvormingstaak doen. In een experiment, dat in alle labs precies hetzelfde is opgezet, zit de muis voor een scherm waarvan een plaatje verschijnt aan de linker-, of rechterkant. Het diertje moet een wieltje naar de kant van het plaatje bewegen om zo een beloning te krijgen: een slokje limonade. ‘In eerdere onderzoeken werd vaak gekeken naar hoe het beloningssysteem in het brein betrokken is bij dit proces, maar in de data zien we dat die signalen betrokken bij besluitvorming in het héle brein actief zijn. Die activiteit is niet gelokaliseerd in enkele specifieke gebieden,’ vertelt Urai.
Andere blik op de hersenen
In tweede paper kijken de onderzoekers hoe de muis een beslissing maakt op basis van zijn verwachtingen. Kwam het plaatje een aantal keer aan de linkerkant van het scherm, dan moet het diertje inschatten of dat de vierde keer waarschijnlijk ook zo zal zijn. Urai: ‘We zien ook dat die informatie in het hele brein wordt verwerkt. Niet alleen in de cognitieve gebieden, maar bijvoorbeeld ook de visuele gebieden en de gebieden waar zintuigelijke informatie wordt verwerkt. Dit inzicht dwingt ons anders te kijken naar de werking van het brein. Activiteit van breincellen is niet beperkt tot enkele delen, maar wijdverspreid door de hersenen.’
Complexe samenwerking
Het muizenbrein op niveau van individuele neuronen zo gedetailleerd vastleggen, was al langer een ambitie van neurowetenschappers. Hoe kan het dat ze er nu in zijn geslaagd? Urai: ‘Allereerst zijn de probes, het meetinstrument om de hersenactiviteit mee te meten, redelijk nieuw.’ De Neuropixels-probe is een miniscuul, doorzichtig instrumentje, zo dun als een haar. ‘Deze zijn geproduceerd in samenwerking met een bedrijf en verschillende universiteiten, een uitdagend project. Nu zijn de probes voor labs te bestellen, inclusief heldere gebruiksinstructies. Dat heeft de meetmethode makkelijker gemaakt.'
Daarnaast is er steeds meer kennis over hoe dieren te trainen in redelijk complexe taken in het lab. ‘Muizen zijn daar voor geschikt, want je kunt ze interessante taken leren en tegelijk hun neurale activiteit op detailniveau meten. Hun hersenen zijn ook glad, zonder plooien in de herschenschors, waardoor je de probe gemakkelijk in kunt brengen.’
Tot slot is er binnen het neurowetenschappelijke onderzoeksveld een groeiend bewustzijn over de waarde van samenwerking in grote teams. ‘In dit team science project betekende dat ook dat er nieuwe rollen ontstonden. Een projectmanager zorgde voor een gestroomlijnde samenwerking en software-ontwikkelaars zorgden dat de database zo onderhielden dat anderen ze gemakkelijk kunnen gebruiken.’
Promovendi
Het International Brain Laboratory deelt alle datasets en software van het onderzoek openbaar: iedere onderzoeker kan de gegevens downloaden en gebruiken voor hun eigen onderzoeksvraag. Philippa Johnson en Fenying Zang, postdoc en promovenda binnen Urai’s CoCoSys-lab, plukken daar dankbaar de vruchten van. Johnson gebruikt de data om onderzoek te doen naar schommelingen in hoe muizen in hun taak presteren, Zang onderzoekt hoe de werking van neuronen verandert als muizen verouderen. Johnson: ‘Het open science-aspect van dit project is uniek. Doordat alles tot in detail is gedocumenteerd, kan ik de data goed begrijpen en gebruiken. Dat is niet gebruikelijk als je gegevens van een ander lab gebruikt voor je eigen onderzoek.’
Data delen
Het IBL wil zelf ook een breder scala aan neurowetenschappelijke onderzoeksvragen beantwoorden, en zal middelen, datasets en platforms delen met de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap. ‘We zouden graag zien dat diverse groepen wetenschappers zich bij IBL aansluiten om eigen projecten uit te voeren en te profiteren van de open uitwisseling van data en ideeën,’ zegt Tatiana Engel, universitait hoofddocent aan Princeton en lid van IBL.
Urai: ‘Het kostte veel energie, geld, tijd en expertise om deze data te verzamelen, we willen dat de gegevens ten volste benut kunnen worden. Nu kan iedere onderzoeker met een goede onderzoeksvraag, ook zonder eigen muizenlab, met de data werken. Zo maken we de neurowetenschap opener, toegankelijker en reproduceerbaarder.’