Wie ein Insektengehirn tickt

Wissenschaftler haben erstmals einen detaillierten neuronalen Bauplan des visuellen Systems der Fruchtfliege erstellt. Er zeigt, wie Nervenzellen interagieren.

Forschern am Janelia Farm Research Campus des Howard Hughes Institute ist es gelungen, den Aufbau der Nervenzellen in einem wichtigen Teil des Gehirns eines Insekts zu rekonstruieren. Es ist eines der größten Konnektome, die jemals publiziert wurden, und zeigt, wie das Gehirn von Fruchtfliegen Bewegungen erkennt.

Durch die Kartographierung der Gehirnstruktur in diesem Detailgrad erhielt das Wissenschaftlerteam zudem neue Erkenntnisse darüber, wie genau die Interaktion der Nervenzellen abläuft. Ihre Arbeit ist nur das jüngste Beispiel einer ganzen Reihe von Untersuchungen, bei denen Neurowissenschaftler Gehirnfunktionen durch den Aufbau detaillierter Diagramme neuronaler Verbindungen zu verstehen versuchen.

Eine grundlegende Theorie, wie die Nervenzellen miteinander arbeiten, um Bewegungen visuell zu interpretieren, existiert bereits seit rund 60 Jahren. Es sei allerdings nicht klar gewesen, wie dieses Verhalten in den Nervenzellenverbindungen nachvollzogen wird, sagt Dmitri Chklovskii, leitender Autor der neuen Konnektom-Studie. Das lag unter anderem daran, dass die Abbildung neuronaler "Schaltkreise" selbst im kleinen Gehirn einer Fruchtfliege enorm schwierig ist.

Um ihre dreidimensionale Karte herzustellen, nahmen Chklovskii und seine Kollegen Bilder sehr dünner Schichten eines gefrorenen Fliegengehirns auf und verbanden dann mehr als 20.000 dieser Bilder in einem Stitching-Verfahren. Große Teile dieser Rekonstruktion ließen sich automatisieren, doch ein Mensch musste sie dann noch nach Fehlern durchsuchen. Insgesamt 14.000 Mannstunden waren notwendig, um das Konnektom aus immerhin 379 Zellen mit 8637 synaptischen Verbindungen aufzubauen.

Die Forscher identifizieren dabei Neuronen, die in Form von Schaltkreisen miteinander in Verbindung standen. Um die strukturellen Informationen mit den tatsächlichen Verhaltensmustern bei der Bewegungserkennung in Deckungsgleichheit zu bringen, galt es, Muster neuronaler Aktivitäten mit der detaillierten anatomischen Karte zu kombinieren.

Die Forscher nutzten dabei Erkenntnisse aus einer anderen Studie, bei der fluoreszierende Moleküle verwendet wurden, die aufleuchten, sobald Neuronen aktiv sind. Dies zeigte, dass vier Unterbereiche der Nervenzellen im Konnektom auf Bewegungen in den vier Grundrichtungen (links, rechts, oben, unten) reagieren.

"Durch die Kombination unserer anatomischen Arbeit mit verhaltensbiologischen Untersuchungen anderer Forschergruppen wird der Gesamtablauf nun klar", sagt Chklovskii. Fliegengehirn und sein menschliches Pendant unterschieden sich zwar stark, doch die Synapsenarbeit, die beide leisten müssten, sei ähnlich. Die Erkenntnisse der Studie sollen nun helfen, komplexere Aufgaben des Gehirns zu verstehen – bis hoch zu den Wirbeltieren. (bsc)