Ein internationales Forschungsteam hat die erste vollständige Verschaltungskarte, das sogenannte Konnektom, des Gehirns und des Nervenstrangs eines adulten männlichen Fruchtfliegen-Tieres (Drosophila) erstellt. Die Karte umfasst 166.700 Neuronen und Millionen von Verbindungen und ermöglicht nun den direkten Vergleich mit dem bereits existierenden Konnektom weiblicher Fliegen, um geschlechtsspezifische Verhaltensunterschiede zu entschlüsseln.
Das Gehirn einer Fruchtfliege ist kaum größer als ein Mohnsamen, beherbergt jedoch über 100.000 Neuronen. Die nun veröffentlichte Karte erfasst nicht nur das Gehirn, sondern auch das Äquivalent zum Rückenmark, den sogenannten ventralen Nervenstrang. Damit steht Wissenschaftlern zum ersten Mal ein vollständiger Schaltplan eines adulten männlichen Tieres zur Verfügung, das komplexes Sozialverhalten zeigt.
Geschlechtsspezifische Schaltkreise: Aggression versus Balz
Da das Gehirn weiblicher Drosophila-Fliegen bereits kartiert wurde, können Forscher nun beide Geschlechter direkt gegenüberstellen. Diese Vergleichsanalyse der Konnektome zeigt, dass Neuronen sensorische Informationen in geschlechtsspezifische Verhaltenskreise umleiten können. Das führt dazu, dass Männchen und Weibchen auf denselben Reiz völlig unterschiedlich reagieren.
Ein konkretes Beispiel ist der Geruch eines anderen männlichen Fliegentiers: Während Männchen darauf mit aggressivem Verhalten reagieren, antworten Weibchen auf denselben Geruch mit Balzverhalten. Die neue Karte erlaubt es, genau jene Neuronen zu identifizieren, die diese Differenzen steuern.
Es ist das erste Mal, dass wir beide Geschlechter eines Tieres mit komplexem Sozialverhalten vergleichen können. Männliche und weibliche Fliegen weisen viele Unterschiede in ihrem Verhalten auf, und Neurowissenschaftler wollen verstehen, wie das Gehirn diese Verhaltensweisen steuert. Dies ermöglicht es uns nun, die Neuronen, die diese Unterschiede verursachen, leicht zu lokalisieren. Gerry Rubin, Leiter der Biologie und Senior Group Leader am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute
KI-gestützte Rekonstruktion und 44 Jahre menschliche Arbeit
Die Erstellung des Konnektoms erforderte eine Kombination aus extremer Hardware-Präzision und künstlicher Intelligenz. Das Nervensystem der Fliege wurde in extrem dünne Scheiben geschnitten und mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie gescannt. Millionen von Bildern wurden anschließend durch KI-Tools von Google Research zu einer 3D-Karte zusammengesetzt.
Ein zentrales Element waren sogenannte Flood-Filling-Netzwerke, die auf konvolutionalen neuronalen Netzen basieren. Diese starten bei einem einzelnen Pixel und identifizieren alle weiteren Pixel, die zum selben Objekt gehören. Trotz der Automatisierung blieb der menschliche Aufwand enorm: Die Überprüfung der Ergebnisse entsprach einem Arbeitspensum von 44 Menschenjahren.
Google Research setzte zudem ein System namens PATHFINDER ein, dessen Geschwindigkeit und Genauigkeit durch die Integration synthetischer Neuronen in die Trainingsdaten verbessert wurde. Ziel ist es, den Bedarf an manueller Fehlerkorrektur zu senken, damit künftig noch größere Projekte innerhalb realistischer Budgets und Zeitpläne realisiert werden können.
Vom Geschmackssinn zur motorischen Aktion
Parallel zur Hauptkarte wurden drei weitere Studien veröffentlicht, die die Daten nutzen, um spezifische neurobiologische Aspekte zu untersuchen. Ein Team der Champalimaud Foundation unter der Leitung von Carlos Ribeiro konzentrierte sich auf den Geschmackssinn. Fruchtfliegen besitzen Rezeptoren an den Beinen, Flügeln, Mundwerkzeugen und im Rachen.
Die Forscher verfolgten diese Verbindungen bis ins Gehirn und analysierten, wie sie mit Schaltkreisen interagieren, die das Schlucken oder Gehen steuern. Diese Architektur hilft der Fliege zu entscheiden, ob ein Nahrungsmittel sicher oder schädlich ist.
Angenommen, Sie sind daran interessiert, wie der Geschmack die Fortbewegung steuert. Jetzt können Sie in die Karte schauen und fragen: Welche sensorischen Neuronen sind mit den Neuronen verbunden, die die Fortbewegung steuern? Welche Zwischenneuronen sollte ich manipulieren? Es gibt Ihnen einen Ausgangspunkt. Inês de Haan Vicente, Forschungstechnikerin im Labor von Ribeiro
Roadmap für komplexere Gehirne und KI-Design
Die Bedeutung der Arbeit reicht über die Entomologie hinaus. Carlos Ribeiro betont, dass das Fliegennervensystem hochkomplexe Berechnungen mit relativ wenigen Neuronen und wenig Energie durchführt. Diese Architektur könnte als Vorbild für das Design effizienterer künstlicher Systeme dienen.
Langfristig dient das Projekt als technischer Wegweiser für ambitioniertere Vorhaben. Die Forscher planen, als Nächstes die Gehirne von Zebrafisch-Larven und adulten Danionella-Fischen zu kartieren. Das Ziel ist es, die Grundlagen komplexer Verhaltensweisen bei Wirbeltieren zu verstehen, um daraus Rückschlüsse auf neurologische und psychiatrische Erkrankungen beim Menschen ziehen zu können.
- Datenumfang: 166.700 Neuronen im männlichen Konnektom.
- Vergleichsbasis: Weibliches Gehirn mit etwa 140.000 Neuronen.
- Methodik: Elektronenmikroskopie kombiniert mit KI-Rekonstruktion (PATHFINDER).
- Öffentlichkeit: Der gesamte Datensatz ist als öffentliche Ressource für die Forschung verfügbar.
Die Forschung wurde in den Fachzeitschriften Cell und Current Biology veröffentlicht.
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