LUMC en TU Delft bouwen mee aan grootste hersenatlas ooit: eerste resultaten gepubliceerd

Onderzoekers van het LUMC en de TU Delft hebben (binnen het samenwerkingsverband Medical Delta) de software ontworpen voor de atlas. Met deze tool kunnen onderzoekers door de atlas navigeren en cellen en hun eigenschappen in kaart brengen. “We hebben een oceaan aan zoekmogelijkheden teruggebracht tot een badkuip”, zegt onderzoeksleider en hoogleraar Biomedical Imaging Boudewijn Lelieveldt.

Het eerste deel van de atlas is nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Cell. In totaal gaat het om 26 artikelen. In zes daarvan hebben de Nederlandse onderzoekers een belangrijke bijdrage geleverd.

Het project staat onder leiding van het Allen Institute in Seattle, maar onderzoekers over de hele wereld werken er aan mee. Hun doel is om alle circa 200 miljard hersencellen van de mens in kaart te brengen. Ze willen daarmee beter begrijpen hoe gezonde hersenen werken en wat er misgaat bij ziekte.

Hulpmiddel om behandelingen voor hersenziekten te vinden

Wetenschappers weten vaak welke hersengebieden betrokken zijn bij een ziekte, maar niet welke soorten hersencellen daarin een rol spelen en hoe die cellen elkaar beïnvloeden. De atlas moet helpen die ontbrekende puzzelstukjes in te vullen. Op termijn moet die kennis helpen bij de ontwikkeling van nieuwe behandelingen voor hersenziekten zoals Parkinson en Alzheimer.

De resultaten die nu gepubliceerd zijn, gaan over de basale ganglia, een groep hersengebieden diep in het brein die een belangrijke rol spelen bij beweging, leren, emoties en denken. Ook bij aandoeningen als Parkinson zijn deze hersengebieden betrokken.

De eerste tekenen zijn veelbelovend. Een van de Cell-publicaties toont bijvoorbeeld aan hoe diepgelegen cellen worden aangetast bij de ziekte van Alzheimer, waardoor medicijnontwikkeling zich specifiek op die hersenregio zou kunnen richten. Een andere publicatie laat zien hoe een zeldzaam celtype relevant kan zijn voor verder onderzoek naar schizofrenie en bipolaire stoornissen.

Hier ontwikkelde software haalt maximale uit hersenatlas

De hersenatlas lijkt niet op een atlas zoals je die vroeger op school gebruikte. Het is een enorme visuele databank, waarin van miljoenen hersencellen in kaart is gebracht wat voor soort cel het is en hoe die verschilt van andere cellen. De data zijn afkomstig van onderzoek op echt hersenweefsel.

De bijdrage van het LUMC en de TU Delft ligt niet in het verzamelen van hersencellen. Hun rol zit vooral in het verwerken en inzichtelijk maken van de enorme hoeveelheid gegevens. De software, genaamd Cytosplore Viewer, helpt onderzoekers de atlas te verkennen. Ook kunnen ze hiermee in- en uitzoomen op hersengebieden, cellen met elkaar vergelijken en zien hoe die van elkaar verschillen.

Daarnaast maakt de software het mogelijk om patronen te herkennen en nieuwe onderzoeksvragen te stellen. Verder kunnen onderzoekers sneller bepalen welke cellen interessant zijn om verder te onderzoeken. “Onze software helpt het maximale uit de atlas te halen van wat er in zit”, zegt Lelieveldt (zie foto).

‘Vergelijkbaar met maanlanding’

Dat het Allen Institute bij Lelieveldt is uitgekomen om deze software te maken, is geen toeval. Het Amerikaanse instituut werkt al ruim tien jaar met hem samen op het gebied van hersendata en datavisualisatie. Maar hij doet het niet alleen: “Data-analisten, computerwetenschappers, ontwikkelaars, biomedische wetenschappers, imaging-specialisten en neurowetenschappers werken nauw samen in dit project”, zegt hij.

Lelieveldt is al sinds de start in 2022 bij het project betrokken. Voor hem voelen de eerste publicaties van de hersenatlas “als de kroon op jarenlang teamwerk”.

Hij vergelijkt het project graag met een maanlanding. Niet zozeer vanwege de technologie, maar vanwege de schaal van de samenwerking: honderden onderzoekers werken samen aan een doel dat ze los van elkaar nooit hadden kunnen bereiken. Zijn team zit in “de machinekamer” met daarin de instrumenten om gegevens te bekijken en te analyseren.

Gereedschapskist om ziekten te onderzoeken 

De atlas levert niet direct nieuwe behandelingen op, maar geeft onderzoekers wel een betere gereedschapskist om hersenziekten te onderzoeken. Hoe beter zij begrijpen welke hersencellen bij een ziekte betrokken zijn, hoe gerichter zij kunnen zoeken naar mogelijke oplossingen. Daarbij is het waardevol dat de atlas wereldwijd openbaar toegankelijk is en gekoppeld kan worden aan andere vormen van onderzoek, zoals MRI-scans.

Hoe onderzoekers de atlas kunnen gebruiken, verschilt per onderzoek. Computationeel bioloog dr. Ahmed Mahfouz van het LUMC gebruikt de atlas bijvoorbeeld om meer inzicht te krijgen in de rol van verschillende hersencellen bij de ziekte van Duchenne. Bij deze ziekte ontbreekt het eiwit dystrofine, of maakt het lichaam er te weinig van. Dit eiwit speelt niet alleen een rol in de spieren, maar ook in de hersenen. In zijn onderzoek ontdekte Mahfouz dat een bepaalde behandeling niet bij alle hersencellen even goed werkt.

"Het lijkt erop dat de behandeling bij sommige soorten hersencellen beter werkt dan bij andere. Met deze atlas kunnen we nauwkeuriger onderzoeken welke cellen op de behandeling reageren en waar die cellen zich bevinden in de menselijke hersenen”, vertelt hij.

‘We waren aangewezen op klassieke anatomische handboeken’

Voor Mahfouz is vooral de gedetailleerde informatie over dieper gelegen hersengebieden waardevol. "Die gebieden spelen vaak een belangrijke rol bij gedrag en het ontstaan van hersenaandoeningen. Dat ze nu zo gedetailleerd in kaart zijn gebracht, is van grote waarde voor mij als onderzoeker. Tot nu toe waren mijn collega's en ik hiervoor grotendeels aangewezen op klassieke anatomische handboeken."

Zo helpt de atlas onderzoekers om meer inzicht te krijgen in de verschillende soorten hersencellen en hun onderlinge verschillen. Die kennis kan op termijn nieuwe aanknopingspunten bieden voor onderzoek naar hersenziekten, ook naar ziekten waarvoor nog geen goede behandeling bestaat.

Dit is pas het begin

De atlas die nu is gepubliceerd beschrijft één deel van het brein. De komende jaren willen onderzoekers steeds meer hersengebieden toevoegen. Het uiteindelijke doel is een complete kaart van alle cellen in het menselijk brein.

Lelieveldt noemt het pakket publicaties niet het eindpunt, maar juist het begin. “Nu de eerste deelresultaten over de basala ganglia beschikbaar zijn, kunnen onderzoekers overal ter wereld er mee aan de slag. De komende jaren wordt dit uitgebreid naar het hele brein, en moet blijken welke nieuwe routes deze atlas van het brein zichtbaar maakt.”

Dit onderzoek is onderdeel van het onderzoeksthema Neuroscience.