Obwohl die Forschung am Gehirn seit Jahrhunderten betrieben wird und moderne Methoden tiefe Einblicke in das menschliche Gehirn ermöglichen, sind viele Aspekte des Denkorgans noch immer nicht vollständig verstanden. Neurologische Erkrankungen wie Demenz, Parkinson und Alzheimer können von Ärzten lediglich in ihren Symptomen behandelt, aber nicht geheilt werden. Das komplexe Netzwerk im Gehirn, bestehend aus Millionen von Neuronen und Hunderten von Billionen Synapsen, die die Nervenzellen verbinden, ist noch immer nicht vollständig entschlüsselt.
Wissenschaftler aus aller Welt haben sich im "FlyWire"-Projekt zusammengeschlossen, um einen Schritt in Richtung eines besseren Verständnisses zu machen. Obwohl Insekten mit "nur" 140.000 Neuronen und etwa 50 Millionen Synapsen weitaus weniger umfangreiche Hirnstrukturen aufweisen als der Mensch, stellt das sogenannte Konnektom einen bedeutenden Fortschritt dar, so Mala Murthy vom Institut für Neurowissenschaften in Princeton. Immerhin stimmen 60 Prozent des Erbguts der Fliege mit dem des Menschen überein, und auch die Fliege ist zu höheren kognitiven Leistungen fähig.
Die Bedeutung des Konnektoms
Sven Dorkenwald, Hauptautor des Artikels in der Fachzeitschrift Nature, vergleicht die Leistung der 287 Forschenden aus 76 Laboren weltweit mit der Erstellung eines "Google Maps" für das Gehirn. Millionen von Bildern eines weiblichen Fruchtfliegengehirns wurden mit Hilfe von künstlicher Intelligenz ausgewertet. Ohne maschinelles Lernen wäre das Projekt nicht möglich gewesen, so der Neuro- und Computerwissenschaftler Sebastian Seung.
Das Konnektom bietet nun vielfältige Möglichkeiten für weitere Forschung. Es ermöglicht, den Zusammenhang zwischen Neuronen und Verhalten zu verstehen und Einblicke in die Funktionsweise eines gesunden Gehirns zu gewinnen, um in Zukunft besser zu verstehen, was bei Krankheiten fehlerhaft abläuft.
Sensorische Wahrnehmung und Rezeptorproteine
Sensorische Nervenzellen sind für die Wahrnehmung von Reizen aus unserer Umwelt und deren Weiterleitung an das Gehirn zuständig. Wissenschaftler der Universitäten Leipzig und Würzburg haben am Tiermodell der Fruchtfliege beobachtet, wie eine bisher wenig erforschte Klasse von Rezeptorproteinen als molekulare Antennen für die Wahrnehmung von mechanischen Reizen in die Kommunikation von Nervenzellen eingreift.
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Eine Fruchtfliege hat ungefähr 250.000 Nervenzellen, verglichen mit den knapp 100 Milliarden Neuronen des menschlichen Gehirns. Dennoch haben beide eine ähnliche "Sprache". Um diese Zellsprache besser zu verstehen, forschen Wissenschaftler seit Jahren an der Fruchtfliege Drosophila melanogaster.
Die Rolle von Adhäsions-GPCR
Die Forschungen konzentrieren sich auf die Rezeptoren einer bestimmten Molekülfamilie, die als Adhäsions-G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (Adhäsions-GPCR) bezeichnet werden. Diese Moleküle sitzen auf der Oberfläche von Zellen und können an benachbarte Zellen oder Material anhaften, ähnlich wie Klettverschlüsse. Gleichzeitig sind diese Klettverschlüsse gekoppelt mit Schaltern, die ein äußeres Signal in eine biologische Information übersetzen und ins Zellinnere leiten können. So tragen die Rezeptoren dazu bei, dass äußere mechanische Reize wie Berührungen oder Druck wahrgenommen werden.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass der Rezeptor Latrophilin/CIRL bei der Übertragung von mechanischen Signalen wie der Lautstärkeregler an einer Stereoanlage funktioniert. Da die Molekülfamilie, zu der auch Adhäsions-GPCR zählen, zu Hunderten im menschlichen Erbgut kodiert sind, liefern die Studienergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung dieser Zellantennen. Rund die Hälfte aller verschreibungspflichtigen Medikamente wirken auf diese Rezeptoren.
Die vollständige Karte des Fruchtfliegengehirns
Ein Forschungsteam des „FlyWire Consortiums“ um Sven Dorkenwald von der Princeton University hat erstmals eine vollständige Karte für das gesamte Gehirn einer adulten Fruchtfliege angefertigt. Das Team kartierte anhand von 21 Millionen Bildern akribisch die Positionen und Verbindungen jeder einzelnen Gehirnzelle.
Auf dem fertigen Schaltplan, auch Konnektom genannt, sind nun alle 139.255 Neuronen und 54,5 Millionen Synapsen der Fliege verzeichnet. Das sind rund sieben Mal mehr Neuronen und fast vier Mal mehr Schaltstellen als bei der Hirnkarte, die zuvor als die umfassendste galt.
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Die Neurowissenschaftler haben diese Gehirnkarte zudem beschriftet und mit detaillierten Anmerkungen zu den einzelnen Zellen und Schaltkreisen versehen. Das Fliegenhirn umfasst demnach mehr als 8.400 verschiedene Zelltypen, von denen 4.581 zuvor unbekannt waren. Darüber hinaus haben die Forschenden auch untersucht, welche Synapsen und neuronalen Schaltkreise für bestimmte Verhaltensweisen oder Bewegungen zuständig sind.
Vergleich mit früheren Karten und Schlussfolgerungen
Beim Vergleich der neuen Karte mit früheren Teilkarten des Fliegengehirns fanden die Wissenschaftler zudem erhebliche Ähnlichkeiten hinsichtlich der Verschaltung der Hirnzellen. Nur 0,5 Prozent der Neuronen waren anders verknüpft. Das Team schließt daraus, dass einzelne Gehirne sehr ähnlich aufgebaut und nicht einzigartig wie eine Schneeflocke sind.
Dorkenwald vergleicht die erstellte Karte mit einem Atlas oder einer Art "Google Maps" für das Gehirn. Mithilfe der Techniken, die zur Konstruktion des Schaltplans des Fruchtfliegengehirns verwendet wurden, könnten künftig auch die Gehirne anderer Arten kartiert werden.
Die Bedeutung für die Gehirnforschung
Die Gehirnforschung macht stetige Fortschritte, doch viele Vorgänge in unserem Denkorgan bleiben ein Rätsel. Die Karte des Fruchtfliegengehirns ist ein wichtiger Schritt, um die Funktionsweise des Gehirns detaillierter zu untersuchen.
Das Fliegengehirn enthält zwar etwa eine Million Mal weniger Neuronen als das menschliche Gehirn, aber die Fruchtfliege zeigt bereits eine Reihe komplexer Verhaltensweisen. Zudem sind 60 Prozent der menschlichen DNA mit der von Fruchtfliegen identisch und drei von vier genetischen Krankheiten des Menschen gibt es auch bei Fruchtfliegen. Daher sind die Tiere als Modellorganismus prädestiniert.
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Das Sehsystem der Fliege
Ein wichtiger Teil der Gehirnforschung an der Fliege konzentriert sich auf das Sehsystem. Mehr als 50 Prozent aller Nervenzellen im Fliegengehirn sind einzig der Bildverarbeitung gewidmet. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die primäre Information über Helligkeit, je nach ihrer zeitlichen Helligkeitsänderung, aufgespalten und in zwei parallelen Kanälen analysiert wird.
Es gibt zwei Bahnen durch den optischen Lobus: eine L1-Bahn, welche über sogenannte T4-Zellen in die Lobulaplatte geht, und eine L2-Bahn, die über sogenannte T5-Zellen in das gleiche Zielgebiet führt. T4-Zellen reagieren selektiv auf die Bewegung von ON-Kanten, während T5-Zellen selektiv auf die Bewegung von OFF-Kanten ansprechen.
Verhaltenssteuerung und Belohnung
Die Fruchtfliege wird auch genutzt, um Antworten auf die Frage zu finden, wie wir gesteuert werden. Forscher untersuchen, wie sich Hirnstrukturen beispielsweise durch eine Zucker-Belohnung verändern und wie sich das dann wiederum auf das Gedächtnis und das Verhalten auswirkt. Im Extremfall können Belohnungsreize sogar bei der Fruchtfliege zu einem „suchtähnlichen Verhalten“ führen.
Schlaf und sensorische Informationen
Im Projekt „Simple Minds“ wird untersucht, wie sensorische Informationen gezielt gefiltert werden, um Schlaf bzw. das Ein- und Durchschlafen zu ermöglichen. Die Forscher glauben, dass rhythmische Netzwerkaktivitäten dafür sorgen, dass nur bestimmte sensorische Stimuli durchgelassen werden und dass sich diese rhythmische Zustände abwechseln, so dass wir in einen Zustand der Selbstbezogenheit kommen, der nur durch einen starken oder eben bedeutsamen Reiz durchbrochen werden kann.