Ein Erfolg, von dem Forschende seit mehr als einem halben Jahrhundert träumen, ist nun erreicht: Ein großes internationales Team hat erstmals jedes einzelne Neuron im Gehirn eines erwachsenen Tieres mit Augen und Beinen in außergewöhnlicher Detailtiefe kartiert.
Das bemerkenswerte Gehirn, das nun frei zugänglich ist, misst kaum mehr als ein Mohnsamen. Dennoch umfasst es 139.255 Neuronen und 50 Millionen Verbindungen.
Es stammt von einer erwachsenen weiblichen Taufliege (Drosophila melanogaster).
Gegenüber dem menschlichen Gehirn mit 80 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Verbindungen mag dies bescheiden wirken. Verglichen mit dem Ausgangspunkt der Neurowissenschaften in den 1960er-Jahren ist es jedoch ein enormer Fortschritt.
Wenn sich die Geschichte wiederholt, könnte die Forschung künftig für einen Nobelpreis infrage kommen.
„Das ist eine bedeutende Leistung“, sagt die Neurowissenschaftlerin Mala Murthy von der Princeton University, die das Team mit leitete.
„Für ein erwachsenes Tier dieser Komplexität gibt es kein anderes vollständiges Konnektom des Gehirns.“
Die einzige annähernd vergleichbare Karte ist ein 3D-Modell des „Hemibrain“ einer erwachsenen Fliege, das jedoch nur rund 20.000 Neuronen enthält.
Die Biologin Anita Devineni von der Emory University, die nicht an der aktuellen Forschung beteiligt war, erwartet in einem begleitenden Kommentar in Nature, dass die neue Karte „die Drosophila-Neurowissenschaft verändern“ wird.
Von Caenorhabditis elegans zum Gehirn der erwachsenen Taufliege
Mit der Kartierung neuronaler Verschaltungen in Tiergehirnen begannen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor etwa einem halben Jahrhundert. Die ersten Arbeiten konzentrierten sich auf ein äußerst einfaches Lebewesen: den blinden und beinlosen Fadenwurm Caenorhabditis elegans.
Die Forschenden hinter dieser unvollständigen Gehirnkarte mit lediglich 302 Neuronen erhielten 2002 einen Nobelpreis.
Was damals mehr als 12 Jahre dauerte, lässt sich heute in weniger als einem Monat erledigen.
2023 vollendeten Forschende eine deutlich größere Gehirnkarte, die sämtliche 3.016 Neuronen einer Taufliegenlarve umfasste.
Auch dieses Tier konnte allerdings weder laufen noch sehen.
Die erwachsene Taufliege markiert deshalb den nächsten großen Schritt. Ihre neuronalen Netzwerke, auf denen Sehen und die komplexen Bewegungsabläufe beim Gehen beruhen, ähneln denen des Menschen und lassen sich nun detaillierter untersuchen als je zuvor.
„Fliegen können viele komplizierte Dinge tun: Sie laufen, fliegen, navigieren, und die Männchen singen für die Weibchen“, erläutert der Molekularbiologe Gregory Jefferis von der University of Cambridge, der die Forschung ebenfalls mit leitete.
„Schaltpläne des Gehirns sind ein erster Schritt zum Verständnis all dessen, was uns interessiert – wie wir unsere Bewegungen steuern, ans Telefon gehen oder einen Freund erkennen.“
So entstand das vollständige Konnektom des Fliegengehirns
An der Erstellung des Diagramms waren Forschende aus 122 Institutionen beteiligt. Wichtige Beiträge kamen von der Princeton University, der University of Cambridge und der University of Vermont.
Für die Karte waren mehr als 7.000 Schnitte eines weiblichen Taufliegengehirns und 21 Millionen Bilder erforderlich. Die dabei entstandenen Daten hätten 100 gewöhnliche Laptops füllen können.
Ein an der Princeton University entwickeltes Programm mit künstlicher Intelligenz war unverzichtbar, um die Datenmenge zu durchforsten.
Die Ergebnisse sind inzwischen in nicht weniger als 9 miteinander verknüpften Fachartikeln mit teils überschneidenden Autorengruppen zusammengeführt.
Ein Artikel beschreibt und annotiert die gesamte Karte. Um Fehler des Computers zu berichtigen, wurde ein Crowdsourcing-Projekt eingerichtet, in dem Forschende und Freiwillige weltweit die Neuronenbezeichnungen und zugeschriebenen Funktionen prüfen konnten. Für die etwa 3 Millionen manuellen Korrekturen hätte eine einzelne Person bei Vollzeitarbeit 33 Jahre benötigt.
Von den 8.453 bekannten und benannten Zelltypen im Diagramm, die 96 Prozent aller Neuronen abdecken, sind mehr als 4.500 neu für die Wissenschaft.
„So wie man nicht ohne Google Maps an einen unbekannten Ort fahren möchte, sollte man das Gehirn nicht ohne Karte erforschen“, erklärt der Neurowissenschaftler Sven Dorkenwald, der 2023 an der Princeton University promovierte.
„Wir haben einen Atlas des Gehirns erstellt und alle Geschäfte, Gebäude und Straßennamen eingetragen. Damit können Forschende das Gehirn nun gezielt erkunden, während wir versuchen, es zu verstehen.“
Die Gehirnkarte liefert bereits funktionelle Ergebnisse
In einem der begleitenden Fachartikel nutzten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die annotierte Karte beispielsweise, um Neuronen im Computermodell einer Taufliege zu aktivieren. Dadurch streckte sie ihren Rüssel nach Zucker aus – genau wie echte Fliegen, wenn diese Neuronen angeregt werden.
Bis heute wurden Forschende, die die gewöhnliche Taufliege untersuchten, mit 6 verschiedenen Nobelpreisen ausgezeichnet. Ein 7. könnte folgen.
Die wichtigsten Ergebnisse sind in Nature veröffentlicht.
Kommentare
Noch keine Kommentare. Sei der Erste!
Kommentar hinterlassen