Hersenen van mannetjes- en hermafrodietwormen reageren anders op geur en smaak
Onderzoekers volgden voor het eerst alle hersencellen in de kop van een piepklein wormpje tegelijk. Bij mannetjes en hermafrodieten reageren bijna alle zintuigcellen anders op geuren en smaken. Dat verschil zie je niet terug in hoe de cellen met elkaar verbonden zijn.
Het wormpje Caenorhabditis elegans, kortweg C. elegans, is ongeveer een millimeter lang en doorzichtig. Biologen gebruiken het al tientallen jaren om te begrijpen hoe zenuwstelsels werken. Het heeft maar een paar honderd zenuwcellen, en van al die cellen weten onderzoekers precies hoe ze met elkaar verbonden zijn.
Toch zegt zo'n bedradingsschema maar een deel van het verhaal. Onderzoekers van Northeastern University in Boston keken daarom naar wat de hersencellen echt doen. Ze vergeleken de twee geslachten van de worm, en vonden overal verschillen. Hun onderzoek verscheen in het vakblad Current Biology.
Twee geslachten, geen vrouwtjes
C. elegans heeft geen vrouwtjes. Er zijn hermafrodieten, die zowel eitjes als zaad maken en zichzelf kunnen bevruchten, en er zijn mannetjes. Een hermafrodiet heeft 302 zenuwcellen, waarvan ongeveer 200 in de kop. Een mannetje heeft er bijna 390.
Van beide geslachten bestaat een complete kaart van alle verbindingen tussen de zenuwcellen. Zo'n kaart heet een connectoom. Je kunt het vergelijken met een wegenkaart: je ziet welke wegen er zijn, maar niet waar het verkeer op een bepaald moment rijdt. Eerder onderzoek liet al zien dat de bedrading bij deze worm weinig voorspelt over de activiteit van de cellen.
Kijken naar alle hersencellen tegelijk
De onderzoekers gebruikten wormen waarvan de zenuwcellen feller oplichten als ze actief zijn. Onder de microscoop konden ze zo in één keer de activiteit van alle cellen in de kop volgen. Intussen kregen de wormen allerlei geuren en smaken aangeboden: geuren van voedsel, zout, stoffen die op gevaar wijzen en feromonen. Dat zijn geurstoffen waarmee dieren signalen aan elkaar doorgeven.
Volgens de onderzoekers is dit de eerste vergelijking van de activiteit in het hele brein van beide geslachten. De worm leeft vooral van ruiken en proeven, dus juist bij zulke prikkels verwachtten ze iets te zien.
Bijna elke zintuigcel reageert anders
Bijna elke zintuigcel reageerde bij mannetjes en hermafrodieten verschillend op minstens één stof. Op andere stoffen reageerde dezelfde cel bij beide geslachten juist hetzelfde. Een cel die bij de ene geur gelijk werkt, kan bij een andere geur dus heel anders reageren.
De verschillen zaten vooral in de zintuigcellen zelf. In de schakelcellen die de signalen verder doorgeven, waren ze kleiner. In de cellen die de spieren aansturen, waren ze het kleinst.
Ook het deel van het zenuwstelsel dat het eten regelt, reageerde per geslacht anders op voedsel, zout en feromonen. Mannetjes en hermafrodieten verwerken prikkels tijdens het eten dus ook verschillend.
Het belangrijkste is misschien dat deze verschillen niet samenvallen met de verschillen in de bedrading. De activiteit voegt volgens de onderzoekers iets toe aan wat de kaart laat zien. Bioloog Javier Apfeld van Northeastern zegt dat een bedradingsschema maar beperkt vertelt hoe een brein echt werkt.
Van worm naar algemene principes
Natuurkundige Vivek Venkatachalam, een van de leiders van het onderzoek, benadrukt dat de uitkomsten niet één op één gelden voor mensen. Het doel is om principes te vinden over hoe zenuwcellen informatie verwerken die bij veel dieren gelden. Veel genen van het zenuwstelsel van de worm komen ook bij andere dieren voor.
Apfeld wil nu weten wat de verschillen betekenen voor hoe mannetjes en hermafrodieten ouder worden. De worm leeft ongeveer drie weken, dus zulk onderzoek gaat snel. De onderzoekers werkten samen met UMass Chan Medical School, Columbia University en Cornell University, en delen hun metingen openlijk met andere wetenschappers.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Een van de grote dromen rond de singulariteit is een brein volledig na te bouwen in een computer. Dit onderzoek laat zien wat daarvoor nodig is. Een kaart van alle verbindingen is niet genoeg: je moet ook meten wat elke cel doet, onder veel verschillende omstandigheden. Zelfs bij een worm met een paar honderd cellen verschilt dat per geslacht en per geur.
Juist hier kan AI veel betekenen. Metingen van alle cellen tegelijk leveren enorme hoeveelheden data op. AI-modellen kunnen daarin patronen vinden en leren voorspellen hoe een brein op een nieuwe prikkel reageert. Openlijk gedeelde datasets zoals deze zijn daarvoor de bouwstenen. Het wormpje van een millimeter is zo een goede kandidaat om het eerste dier te worden waarvan we het hele brein echt begrijpen, en dat zou een belangrijke stap zijn op weg naar het begrijpen van grotere hersenen.
