Reuzenzenuwcel wikkelt zich rond hele brein van een muis, "als een doornenkroon"

Zenuwcellen zenden "scheuten" uit die verbindingen maken met andere zenuwcellen in de hersenen. Een team van het Allen Institute for Brain Science in Seattle, in de Amerikaanse staat Washington, heeft nu met een nieuwe techniek drie zeer grote zenuwcellen in kaart gebracht, die een uitgebreid netwerk van vertakkingen hebben in heel de hersenen van muizen.

Christof Koch, de voorzitter van het Allen Institute, legde eerder deze maand de techniek van zijn groep uit op de bijeenkomst  van het "Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies" initiatief in Bethesda in Maryland. Het nieuws staat in het wetenschappelijk tijdschrift "Nature". Hij toonde hoe het team drie neuronen volgde vanuit een kleine, dunne laag cellen die het claustrum genoemd wordt - een gebied met wijdverspreide verbindingen waarvan Koch aanneemt dat het werkt als de zetel van het bewustzijn bij muizen en mensen.

Al de vertakkingen van een zenuwcel in kaart brengen met conventionele methoden is een enorme opdracht. Onderzoekers spuiten individuele cellen in met een kleurstof, snijden het brein in dunne schijfjes en volgen dan de weg van de gekleurde zenuwcel met de hand. Daarbij slaagt men er slechts zelden in om een zenuwcel te volgen doorheen het gehele brein.

De nieuwe methode van Koch en zijn team is minder invasief en beter aanpasbaar, en bespaart tijd en inspanningen.

Koch en zijn collega's ontwierpen een lijn van muizen waarbij een bepaald middel specifieke genen activeerde in zenuwcellen van het claustrum. Als de onderzoekers de muizen slechts een kleine hoeveelheid van het middel gaven, kregen slechts een handjevol zenuwcellen genoeg van het middel om de genen aan te zetten. Dat gaf als resultaat de productie van een groen fluorescerend proteïne, dat zich verspreidde doorheen de hele zenuwcel. Het team nam  vervolgens 10.000 beelden van de dwarsdoorsnede van het brein van de muis, en gebruikte een computerprogramma om een 3D-reconstructie te maken van slechts drie fluorescerende cellen.  

Een doornsnede van het menselijk brein. De rode pijl duidt het claustrum aan. (Illustratie: Gray's Anatomy).

De drie zenuwcellen strekten zich uit over de twee helften van de hersenen, en een van de drie wikkelde zich rond de hele omtrek van het orgaan, "als een doornenkroon", zo zei Koch.

Koch had nog nooit zenuwcellen gezien die zich zo ver uitstrekten over de verschillende gebieden in de hersenen. Het lichaam van een muis bevat andere, lange zenuwcellen, zoals een uitloper in het been, en neuronen die zich vanuit de hersenstam een weg banen door de hersenen om signaalmoleculen vrij te geven. Maar deze neuronen van het claustrum lijken in verbinding te staan met alle of de meeste buitenste delen van het brein, delen die zintuiglijke informatie innemen en het gedrag sturen.

Koch ziet dat als een aanwijzing dat het claustrum mogelijk de verschillende input en output doorheen het brein coördineert om bewustzijn te creëren. Hersenscans hebben al aangetoond dat het menselijke claustrum een van de gebieden in de hersenen is met de meeste verbindingen, maar die scans tonen niet welk pad de individuele neuronen volgen.

Het claustrum is een goed gebied in de hersenen om de nieuwe techniek op te testen omdat het bij muizen al uitgebreid bestudeerd is, en slechts bestaat uit enkele verschillende types cellen, zo zei James Eberwine, een farmacoloog aan de University of Pennsylvania in Philadelphia. Het grootste deel ervan bestaat uit grijze stof, materie die de cellichamen van de zenuwcellen bevat, de dendrieten - de vertakte uitlopers, en de korte axonen - uitlopers die elektrische impulsen geleiden.

"Het is zeer bewonderenswaardig", zei Rafael Yuste, een neurobioloog aan de Colombia University in New York, over de methode in "Nature".

Hij denkt niet dat het bestaan van neuronen die het brein omcirkelen afdoende bewijst dat het claustrum betrokken is bij het bewustzijn. Maar hij zegt dat de techniek handig zal zijn bij pogingen om een soort inventaris op te maken, de verschillende celtypes in het brein te identificeren en nauwgezet in kaart te brengen, iets waarvan veel specialisten denken dat het cruciaal zal zijn om te kunnen begrijpen hoe het brein werkt. "Het is als proberen een taal te ontcijferen, waarvan we niet begrijpen wat het alfabet is", zo zei hij.  

Yuste en Eberwine zouden graag zien dat de 3D-reconstructies van individuele neuronen vergeleken worden met analyses van de genen die tot uitdrukking zijn gebracht in die neuronen. Dat kan inzichten bieden in het type en de functie van elke cel.

Koch is van plan om neuronen die vertrekken vanuit het claustrum, in kaart te blijven brengen, hoewel zijn techniek te duur is om gebruikt te worden voor een reconstructie van alle neuronen op een grote schaal. Hij zou graag weten of al de neuronen uit het claustrum zich uitstrekken doorheen de hersenen, of dat elk neuron uniek is, en zich uitstrekt naar een iets verschillend gebied dan de andere zenuwcellen.