Wissenschaftler haben alle 54,5 Millionen Verbindungen im Gehirn einer Fruchtfliege zurückverfolgt

Im Gehirn einer einzelnen Fruchtfliege verweben sich Nervenzellen, die das Fliegen, Paaren, Essen, Schlafen und jede andere Aktivität ihres Fliegenlebens ermöglichen. Jetzt berichten Wissenschaftler in neun Artikeln, die am 2. Oktober in Nature veröffentlicht wurden, über die erste vollständige Karte ihrer Nervenzellen – um genau zu sein alle 139.255 – und ihrer 54,5 Millionen Verbindungen.

Diese über Jahre hinweg mit akribischer Präzision erstellte Karte des gesamten Gehirns ist winzig, aber exquisit: Sie enthält 149,2 Meter neuronaler Verkabelung, alles ordentlich verpackt in einem Gehirn von der Größe eines Mohnsamens. Daher zeigt diese Karte, wie neuronale Informationen zwischen den Zellen von Drosophila melanogaster fließen könnten, einem Tier, das einfacher als ein Mensch, aber komplex genug ist, um für Menschen, die sein Gehirn verstehen wollen, rätselhaft zu bleiben.

„Diese Arbeit ist absolut faszinierend“, sagt der Neurowissenschaftler Olaf Sporns von der Indiana University in Bloomington. Im Jahr 2005 prägten er und seine Kollegen den Begriff „Connectome“, eine Beschreibung der Verbindungen zwischen Nervenzellen oder Neuronen (SN: 07.02.14). In den fast 20 Jahren seitdem hat der Wissenschaftler weitere Konnektome kartiert, darunter die von männlichen und zwittrigen C. elegans-Würmern, einer Larvenfruchtfliege, kleinen Teilen des Gehirns von Mäusen und Menschen sowie einem Teil des Gehirns einer erwachsenen Fruchtfliege (SN: 09.03.23; SN: 07.08.19; SN: 23.05.24). Dieses neueste Fruchtfliegen-Connectome ist das größte seiner Art.

„Als Connectomics anfing, schien es fast wie Science-Fiction, eine Karte wie die in dieser Arbeit vorgestellte zu erstellen“, sagt Sporns. „Und jetzt ist es erstaunlicherweise hier.“

Das Projekt umfasste elektronenmikroskopische Bilder von mehr als 7.000 dünnen Schnitten des Gehirns einer weiblichen Fruchtfliege und maschinelles Lernen, das die komplexen Ranken von Neuronen ausrichtete und Zellen durch verschiedene Schnitte verfolgte. Maschinelles Lernen brachte die Forscher in Schlagdistanz zum gesamten Konnektom. „Aber Menschen sind immer noch erforderlich, um die Fehler zu korrigieren“, sagt Sven Dorkenwald, ein computergestützter Neurowissenschaftler, der an dem Projekt an der Princeton University gearbeitet hat und jetzt am Allen Institute for Brain Science und der University of Washington in Seattle arbeitet. Hunderte von Menschen aus mehr als 50 Labors lasen die Karte mit menschlichen Augen Korrektur und stellten sicher, dass die Zellformen so waren, wie sie zu sein schienen. Es war von Anfang bis Ende eine große Aufgabe.

„Haben wir gedacht, dass es so lange dauern würde, bis wir fast 20 Jahre später das Fly Connectome haben würden? Wahrscheinlich nicht“, sagt Sebastian Seung, ein computergestützter Neurowissenschaftler an der Princeton University. „Aber allzu optimistische Menschen treiben den Fortschritt voran.“

In den frühen Tagen war die Arbeit an einer Connectome-Karte „eine konträre Sache“, sagt Seung. „Die meisten Leute dachten, es sei verrückt. Es gab zwei Einwände. Erstens ist das nicht möglich, und zweitens wären die Daten selbst im Erfolgsfall nutzlos.“

Aber die Daten haben bereits ihren Nutzen bewiesen und zelluläre Details und interessante Hinweise auf die Funktionsweise des Gehirns enthüllt. Beispielsweise gibt es im gesamten Fliegengehirn nur zwei CT1-Neuronen, von denen jedes an der Wahrnehmung von Licht- und Bewegungsänderungen beteiligt ist. Jedes Neuron erstreckt sich über ein ganzes Auge und bildet eine riesige Anzahl von Synapsen – mehr als 148.000, wie die Karte zeigt.

In einer anderen Analyse wurden einige Neuronen in Klassen eingeteilt, die „Integratoren“ genannt werden und eine große Anzahl von Nachrichten von anderen Zellen empfangen, oder „Broadcaster“, die Signale an ein großes Publikum senden. Diese Megafonzellen könnten die Ausbreitung von Signalen unterstützen, allerdings auf selektive Weise.

Und nachdem das Konnektom nun kartiert ist, haben Wissenschaftler damit begonnen, Computermodelle darüber zu erstellen, wie Informationen im Gehirn fließen. „Man beginnt mit den Verbindungen zwischen Neuronen und nutzt diese, um eine Simulation eines Netzwerks aufzubauen“, sagt Seung. „Es ist ein völlig offensichtlicher Ansatz, aber ohne das Connectome wäre das nicht möglich.“

Eine neue Studie zeigt beispielsweise, wie Geschmacksneuronen andere nachgeschaltete Zellen aktivieren können. Und das ist erst der Anfang, sagt Seung. „Mein Witz für die Science-Fiction-Enthusiasten ist, dass eine Fliege für dieses Experiment geopfert werden musste, aber diese Fliege könnte in der Simulation ewig überleben.“

Sporns blickt auch in die Zukunft: „Ich sehe eine Zukunft voraus, in der Konnektomkarten noch umfassender und detaillierter werden und bald auch Gehirne von Wirbeltieren wie Mäusen und Menschen umfassen werden“, sagt er. Diese Karten werden dazu beitragen, wichtige Fragen zu Gehirnkonnektomen zu beantworten – ob sie von Person zu Person unterschiedlich sind, ob sie sich im Laufe der Zeit ändern und ob sie dabei helfen können, Verhaltensweisen vorherzusagen.