Zo zien je hersenen eruit als je héél erg inzoomt

De hersenen zijn ons meest complexe orgaan, en met name over de kleinste bouwstenen ervan is nog maar weinig bekend. Wetenschappers van de Amerikaanse topuniversiteit Harvard en Google lichten nu een tipje van de sluier op door een kubieke millimeter hersenschors in ongekend detail in kaart te brengen. De reconstructie bevat zo’n 57 duizend cellen, 230 millimeter bloedvaten en bijna 150 miljoen synapsen, de verbindingen tussen twee zenuwcellen.

Die kubieke millimeter – formaat zoutkorrel – zag niet in het mortuarium, maar in de operatiekamer voor het eerst het licht. Bij de vrouw aan wie het stukje hersenen toebehoort, werd een epileptische brandhaard verwijderd. Om daar bij te komen, moest de chirurg eerst een stukje onaangetast hersenschors weghalen.

Voor wetenschappers een unieke kans om een gezond, levend stukje hersenen te bewonderen. Nog voor de celafbraak begon, lag het onder de microscoop, schrijven de onderzoekers in Science.

Daartoe dompelden de onderzoekers het stukje hersenschors eerst in een cocktail van conserveringsmiddelen en metalen. Afhankelijk van het soort structuur – celorganellen, celkern, celwand – dalen die metalen neer op de verschillende celdelen. Vervolgens plaatsten ze de kubieke millimeter hersenschors onder de microscoop.

En niet zomaar een microscoop: in plaats van licht, vuurt deze microscoop elektronen af. Die worden in meer of mindere mate doorgelaten, afhankelijk van de hoeveelheid metaal die op elke structuur is neergedaald. Net als bij een lichtmicroscoop levert dit een contrast op tussen verschillende structuren, maar door de kortere golflengte van elektronen zijn veel meer details zichtbaar.

Gedetailleerde plaatjes

Met deze techniek zijn wetenschappers al langer in staat om celonderdelen te ontwaren. Voorheen resulteerde dat in een aantal gedetailleerde plaatjes – nu plakken computers duizenden van dat soort plaatjes aan elkaar, waaruit een driedimensionale reconstructie ontstaat.

Vergelijk het met de immersive view-functie in Google Maps: in plaats van een vooraanzicht van gebouwen op straat, zweef je er nu 360 graden omheen. Daardoor wordt de vorm van hersencellen, die bestaan uit een cellichaam en daaruit spruitende vertakkingen, en de manier waarop die vertakkingen met elkaar zijn verbonden, volledig zichtbaar.

‘De combinatie van vooruitstrevende computeranalyses en het uitzonderlijk verse weefsel maakt deze data zeer waardevol’, zegt Paul Lucassen, hoogleraar plasticiteit van het brein aan de Universiteit van Amsterdam, die niet betrokken was bij het onderzoek. ‘Zo gedetailleerd is dit nog nooit eerder vertoond.’

De onderzoekers doen een aantal opmerkelijke observaties. Zo zien ze dat een uiteinde van een hersencel zich soms met verschillende uiteindes van andere hersencellen verbindt, terwijl tot nu toe altijd werd gedacht dat één uiteinde zich met één ander uiteinde verbindt. Ook zien ze een L-vormige cel, met één grote uitloper naar boven en één naar de zijkant, die ze niet goed kunnen thuisbrengen. ‘Dat is vrij ongebruikelijk,’ aldus Lucassen. ‘Meestal lopen menselijke hersencellen naar boven en naar beneden uit.’

Of de onderzoekers hier stuitten op onontdekte, universele eigenschappen van het menselijk brein, valt nog niet te zeggen. ‘Het is natuurlijk maar één stukje hersenschors, van één persoon,’ zegt Lucassen. Bovendien valt niet uit te sluiten dat het is aangetast door epilepsie of jarenlang gebruik van medicatie daartegen. ‘Aan de andere kant maakt dat het juist weer interessant voor onderzoek naar epilepsie.’

Extra waardevol: de onderzoekers stellen hun dataset voor iedereen beschikbaar. Dat stelt andere wetenschappers in staat de hersencellen te bekijken en de data te vergelijken met hun eigen onderzoek.