Google und Janelia Research Campus veröffentlichen Fruchtfliegen-Konnektom

Das MaleCNS v1.0 Konnektom: Ein Meilenstein der Neurowissenschaft

Anfang September präsentierten Wissenschaftler von Google Research und dem Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus die Ergebnisse eines rund zehnjährigen Projekts. Die Forscher kartierten das gesamte Nervensystem einer erwachsenen männlichen Fruchtfliege im dreidimensionalen Raum. Das als MaleCNS v1.0 veröffentlichte Modell bildet über 166’000 Neuronen sowie rund 125 Millionen synaptische Verbindungen ab. Es handelt sich um den bislang umfangreichsten neuronalen Verdrahtungsplan dieser Art, der öffentlich zugänglich gemacht wurde.

Google’s AI-Mapped fruit fly brain has tried "Doom" 6,000+

Google Research, working alongside HHMI Janelia Research Campus and the wider scientific community, announced it had fully mapped the complete brain and central nervous system of an adult male fruit fly for the first time. The team used AI to stitch together millions of 2D images into a 3D model, reconstructing more than 166,000 neurons in what Google called a major milestone in neuroscience.

Um diese Daten zu gewinnen, zerlegten die beteiligten Institutionen das Gewebe in Millionen extrem dünner Scheiben. Hochleistungs-Elektronenmikroskope erfassten die Schnittbilder, während Algorithmen der künstlichen Intelligenz die zweidimensionalen Aufnahmen zu einem präzisen 3D-Modell zusammenfügten. Dieser immense Aufwand erforderte jahrelange manuelle Verifikation durch Experten. Das Hauptziel der Veröffentlichung besteht darin, der weltweiten Forschung eine präzise Grundlage zu bieten, um zu verstehen, wie biologische Organismen sensorische Reize verarbeiten, Bewegungen steuern und wie beschädigte Nervenbahnen eines Tages repariert werden könnten.

Google und Janelia Research Campus kartieren Nervensystem der Fruchtfliege

Virtuelle Hölle und Pixelwelten: Wie Ingenieure das Fliegengehirn einspannen

Lange mussten Programmierer nicht überlegen, was mit einer solchen Rechenarchitektur anzufangen ist. Nur Tage nach der offiziellen Veröffentlichung des Datensatzes in Fachkreisen begannen Entwickler damit, das simulierte Gehirn als digitalen Spieltriebwerkersatz zu nutzen. Den Anfang machte der Software-Ingenieur Alex Wormuth, der das Doom von 1993 als Testumgebung wählte.

Google's mapped fruit fly brain has played Doom more

Each Doom frame stimulates sensory neurons. Neural activity is mapped to game controls. Damage triggers a stimulus to two PPL101 dopamine cells as reinforcement. Alex Wormuth, Software Engineer, via TweakTown

In Wormuths Versuchsaufbau empfängt das virtuelle Fliegengehirn visuelle Signale direkt aus den einzelnen Spielszenen des Egoshooters. Erleidet die Spielfigur im Spiel Schaden, simuliert das System einen elektrischen Reiz auf zwei dopaminerge Zellen des Typs PPL101. Diese biologisch nachempfundene Rückkopplung soll dem System als positiven oder negativen Anreiz dienen. Ein Livestream zeigt die Bemühungen des virtuellen Insekts, sich in den pixeligen Gängen zu orientieren. Ein durchschlagender Erfolg blieb jedoch aus: Nach mehr als 6’385 Versuchen gelang es dem virtuellen Fliegengehirn bislang nicht, das Spiel erfolgreich zu beenden.

Google-Fruchtfliegengehirn steuert nun auch Videospiele wie Doom

Vom Rhythmusspiel bis zu Minecraft: Kreative Auswüchse einer offenen Datenbank

Doom blieb nicht das einzige Ziel für das neuronale Netzwerk. Engineer domi, posting on Bluesky, trained the connectome to play the rhythm-action game Beat Saber, using the fly’s brain to decide when to turn and its „courtship songbehaviour to determine when to swing. Domi's project, called Aimbug, later extended the same approach to shooters. The more aroused the fly is, the harder it tries to shoot,“ domi noted.

Google Mapped a Fruit Fly’s Brain. Now It’s Playing

Developer Evan Sinclair Smith created NeuroCraft Fly, an experimental Minecraft project that runs a retained MaleCNS network containing 166,700 simulated neurons and 25,582,938 directed connections. Events inside Minecraft, including food, light, nearby creatures and attacks, are converted into inputs sent through the neural model. Activity from selected neurons is then mapped to hand-chosen readouts that influence scripted body programs and the virtual fly’s movement. I’ve successfully run the full retained MaleCNS v1.0 fruit fly connectome, all 166,700 neurons, inside Minecraft, with its simulated neural activity driving a fly’s movement, Smith explained.

Forscher kartieren Gehirn männlicher Drosophila für Geschlechtervergleich

Entwickler wie Evan Sinclair Smith betonten, dass diese Experimente keineswegs den Nachweis eines bewussten Lebewesens in der Maschine darstellen. Die Simulation liefert lediglich das strukturelle neuronale Geflecht, während die Programmierer festlegen, welche sensorischen Reize eingespeist und wie die Aktivitätsmuster in Befehle umgewandelt werden. Angesichts der zum Teil strapaziösen Testumgebungen bildeten sich zügig Gegenbewegungen heraus: So entwarf ein anderer Entwickler eine simulierte Umgebung namens fruit fly heaven, in der die virtuelle Fliege friedlich durch eine Welt fliegen kann, anstatt pausenlos Gefahren auszuweichen.

Ausblick auf kommende Gehirnprojekte

Obwohl die spielerischen Anwendungen mitunter skurril wirken, bestätigen sie aus Sicht der beteiligten Wissenschaftler die Funktionalität des Datensatzes. Die Tatsache, dass ein künstlich nachgebautes biologisches Nervensystem beliebige digitale Eingangssignale verarbeiten und in Steuerungsbefehle umsetzen kann, zeigt den praktischen Nutzen des offenen Mappings. Google arbeitet bereits an umfassenderen Modellen und plant zukünftig ähnliche Kartierungen für komplexere Organismen, wodurch der Umfang der simulierten neuronalen Netze in den kommenden Jahren drastisch steigen wird.