Leuvense wetenschappers brengen voor het eerst het verouderingsproces van individuele hersencellen in kaart

Wetenschappers onder leiding van professor Stein Aerts (VIB-KU Leuven) zijn er voor het eerst in geslaagd het verouderingsproces van alle individuele hersencellen in kaart te brengen. Ze deden dat weliswaar niet bij de mens, maar bij de vlieg. Toch is het hun ambitie bij de mens ooit hetzelfde te doen.  

Professor Stein Aerts en collega’s hebben een ‘cel atlas van het vliegenbrein’ gemaakt. Meer bepaald van het fruitvliegenbrein. Voor wetenschappers zijn fruitvliegen dankbare proefdieren omdat ze zich snel vermenigvuldigen en op korte tijd verschillende generaties voortbrengen. Bovendien hebben ze, ondanks hun minuscule afmetingen, heel wat genetische gelijkenissen met de mens. Ook hun hersenen lijken op elkaar. Al zijn die van de mens natuurlijk veel groter.

Een menselijk miniatuurbrein

“Net als in ons brein, vind je in de hersenen van fruitvliegen honderden verschillende celtypes die samen een ingewikkeld netwerk vormen”, legt mede-onderzoeker Kristofer Davie uit. “In dat opzicht kan je hun hersenen vergelijken met een menselijk miniatuurbrein. Ze kunnen ons enorm veel leren over ons echte brein.” 

Net als in ons brein, vind je in de hersenen van fruitvliegen honderden verschillende celtypes die samen een ingewikkeld netwerk vormen

Kristofer Davie, Centrum voor Hersenonderzoek KU Leuven

Hoewel fruitvliegen slechts een “miniatuurbrein” hebben, was het toch niet eenvoudig om alle individuele cellen ervan in kaart te brengen. Bovendien wilden de onderzoekers ook nog eens het verouderingsproces van al die cellen vastleggen. “In de hersenen van fruitvliegen zijn er ongeveer 100.000 cellen en 15.000 genen die de cellen aansturen”, zegt Davie. “Wij hebben de hersenen van tientallen vliegjes van verschillende leeftijden geanalyseerd. In totaal hebben we miljarden metingen vergeleken.” 

Een druppel op een chip

Dat vergelijken is grotendeels gebeurd door de computer. Al hebben de onderzoekers eerst al die cellen uit de hersenen moeten halen. “We hebben eerst de hersenen opgelost tot individuele cellen”, vertelt professor Aerts. “Vervolgens hebben we elke cel individueel in een druppel op een speciale chip afgezonderd. Die druppel fungeert als een miniatuur reactiekamer waarin we de activiteit van alle genen per cel hebben gemeten. Onze computerprogramma’s hebben vervolgens al die cellen geanalyseerd en vergeleken.”

Lees voort onder de foto

Drosophila melanogaster, fruitvlieg André Karwath/Wikipedia

Zo zijn professor Aerts en z’n collega’s tot hun ‘cel atlas van het vliegenbrein’ gekomen. Ze hebben meer dan 80 verschillende celtypes kunnen onderscheiden, en nog veel meer subtypes. “Alle cellen hebben in principe hetzelfde DNA”, licht professor Aerts toe. “Maar dat DNA geeft aan de cellen verschillende functies. Zo zijn er cellen die verantwoordelijk zijn voor het geheugen, terwijl andere bijvoorbeeld reuk waarnemen. Wij hebben elke individuele cel bekeken en achterhaald welke functie ze precies heeft. Op die manier hebben we de cellen kunnen onderbrengen in verschillende celtypes.”               

Algoritmes en hersenaandoeningen

Tegelijk hebben de onderzoekers ook het verouderingsproces van de cellen in kaart gebracht. Dat hebben ze gedaan door dezelfde cellen te vergelijken van fruitvliegen van verschillende leeftijden. Ook daar is de computer bij te pas gekomen. Via zogenoemde algoritmes heeft die berekend hoe elke cel er in elke levensfase moet uitzien.

De atlas en de kaart van het verouderingsproces kunnen wetenschappers vanaf nu helpen bij het onderzoek van hersenaandoeningen. Zelf is professor Aerts betrokken bij een onderzoek naar de ziekte van Parkinson. In de natuur komt die ziekte niet voor bij fruitvliegjes, maar wetenschappers kunnen ze wel uitlokken door in de hersenen van de diertjes een gen te wijzigen. Dankzij de atlas kunnen de wetenschappers de cellen die bij Parkinson een rol spelen, beter herkennen. En weten ze ook welke ze in het oog moeten houden en nader bestuderen.

Het probleem is dat menselijke hersencellen moeilijk van elkaar te scheiden zijn omdat er in onze hersenen veel myeline zit

Professor Stein Aerts, Centrum voor Hersenonderzoek KU Leuven

Ook mogelijk bij de mens?

Voorlopig bestaat de ‘cel atlas van het brein’ alleen maar voor het fruitvliegje. Toch hoopt professor Aerts ooit een gelijkaardige atlas voor de mens te ontwikkelen. “Er zijn verschillende onderzoeksgroepen mee bezig”, zegt hij. “Maar het grote probleem is dat menselijke hersencellen moeilijk van elkaar te scheiden zijn omdat er in onze hersenen veel myeline zit. Dat is een kleverige substantie die als isolatielaag rond de hersencellen zit, maar die de cellen dus ook aan elkaar doet kleven. Bovendien zijn er tientallen miljarden cellen in onze hersenen. Om die allemaal uit elkaar te halen is er heel veel tijd nodig. Wetenschappers die individuele hersencellen willen bestuderen halen gewoonlijk de nucleus of kern uit de cellen. Die zijn wel makkelijk te isoleren.”   

De studie is uitgevoerd door wetenschappers van het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB) en het Centrum voor Hersenonderzoek van de KU Leuven. Ze is vandaag verschenen in het tijdschrift Cell, onder de titel "A Single-Cell Transcriptome Atlas of the Aging Drosophila Brain"