Indische wetenschappers maken gedetailleerde 3D-atlas van hersenstam

Meer dan een eeuw lang hebben neurowetenschappers de menselijke hersenen bestudeerd zoals vroege cartografen onbekende landen in kaart brachten: stuk voor stuk een uitgestrekt landschap samenstellen uit verspreide waarnemingen.

Zelfs tegenwoordig inspecteren pathologen die aandoeningen als de ziekte van Alzheimer diagnosticeren doorgaans slechts een handvol weefselmonsters van een orgaan dat ongeveer 86 miljard neuronen bevat. Veel van het landschap blijft onzichtbaar.

Daarom geloven wetenschappers van het Sudha Gopalakrishnan Brain Centre (SGBC) van het Indian Institute of Technology Madras (IIT-M) dat zij een belangrijke stap hebben gezet om een van de grootste gaten in de neurowetenschappen op te vullen.

Zij hebben wat zij beschrijven als 's werelds meest gedetailleerde driedimensionale atlas van de menselijke hersenstam op cellulair niveau gemaakt – een digitale kaart die wetenschappers in staat stelt naadloos van MRI-scans van de hele hersenen naar individuele zenuwcellen te gaan.

Het project, genaamd Anchor (Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction), combineert meer dan 500 weefselsneden uit foetale, kinderjaren en volwassen hersenen.

Opgebouwd uit hoogresolutie-microscoopafbeeldingen in plaats van duurder moleculaire technieken, creëert het een gedetailleerde driedimensionale kaart van de hersenstam, waarbij meer dan 200 clusters van hersencellen en zenuwbanen worden geïdentificeerd.

Acht chemische markers helpen verschillende celtypen te onderscheiden, wat een van de duidelijkste afbeeldingen tot nu toe oplevert van dit vitale, maar slecht begrepen deel van de hersenen.

De hersenstam beslaat slechts een klein deel van de hersenen, maar hij houdt mensen in leven. Hij verbindt de hersenen met het ruggenmerg en regelt ademhaling, hartslag, slaap, wakkerheid en beweging.

Beschadiging van kleine clusters van cellen daarin kan catastrofaal zijn, maar de dicht bezette architectuur van het gebied heeft pogingen om het in detail in kaart te brengen lange tijd gefrustreerd.

Het belang van Anchor ligt niet simpelweg in het produceren van nog een anatomische kaart, maar in het verbinden van twee werelden die grotendeels gescheiden zijn gebleven: medische beeldvorming, die de hersenen als geheel toont, en cellulaire pathologie, die het celletje voor celletje onthult.

"We zien hier een visionaire onderneming die India aan de internationale tafel plaatst," zegt Shubha Tole, een Indische neurowetenschapper van het Tata Institute of Fundamental Research, die het project beschrijft als een "ongekende integratie" van engineering, neurowetenschappen en geneeskunde.

Artsen beginnen doorgaans door de hele hersenen te onderzoeken tijdens een sectie of weefsel dat tijdens neurochirurgie is verwijderd. Een volwassenhersenweegt ongeveer 1,2-1,5 kilogram, en zijn vouwen en belangrijkste structuren kunnen belangrijke aanwijzingen geven voordat microscopisch onderzoek begint.

"Als neuropatholoog begin ik met onderzoek van een hele hersenen met het blote oog voordat ik naar kleine stukjes onder de microscoop kijk," zegt Rebecca Folkerth, die verbonden is aan Harvard Medical School en New York University en samenwerkte met het SGBC-team.

"Voor de ziekte van Alzheimer kunnen we slechts 15 tot 20 sneden onderzoeken – maar een fractie van een procent van het hele orgaan."

Dit is sinds het baanbrekende werk van de Spaanse neurowetenschapper Santiago Ramón y Cajal meer dan een eeuw geleden de praktijk. Moderne MRI toont de hele hersenen maar mist cellulair detail; microscopen onthullen individuele cellen maar alleen in geïsoleerde plakken.

"Wat het Indische centrum heeft gecreëerd, is in wezen wat ik vroeg in mijn carrière droomde – hersenscans die overeenkomen met de microscopische anatomie van de hersenen," vertelde Folkerth, die in meer dan drie decennia duizenden hersenen heeft onderzocht, aan de BBC.

Anchor probeert deze kloof te dichten.