Das Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Funktionsweise die Wissenschaft seit Jahrhunderten beschäftigt. Während moderne Methoden tiefe Einblicke in das menschliche Gehirn ermöglichen, greifen Neurowissenschaftler auch auf einfachere Modelle zurück, um grundlegende Prinzipien zu verstehen. Ein solches Modell ist das Gehirn der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster), das trotz seiner geringen Größe erstaunliche Einblicke in die neuronalen Grundlagen von Verhalten, Lernen und Gedächtnisbildung ermöglicht.
Die Fruchtfliege als Modellorganismus
Die Fruchtfliege ist ein beliebter Modellorganismus in der Genetik und Neurowissenschaft. Ihre einfache Haltung, die kurze Generationszeit und die Möglichkeit, ihr Erbgut leicht zu manipulieren, machen sie zu einem idealen Forschungsobjekt. Darüber hinaus sind viele Eigenschaften des Hirnstoffwechsels stammesgeschichtlich konserviert, was bedeutet, dass Prozesse im Fliegenhirn denen im menschlichen Hirn ähneln, auch im Hinblick auf die Entstehung von Krankheiten.
Überschaubare Komplexität mit überraschenden Fähigkeiten
Mit rund 100.000 Nervenzellen ist das Gehirn der Fruchtfliege im Vergleich zum menschlichen Gehirn mit seinen 86 Milliarden Neuronen relativ einfach aufgebaut. Diese überschaubare Komplexität ermöglicht es Forschern, einzelne Nervenzellen zu aktivieren, ihre Verbindungen zu kartieren und die Auswirkungen auf das Verhalten der Fliege zu beobachten. Trotz seiner geringen Größe zeigt das Fliegengehirn eine Reihe komplexer Verhaltensweisen, vom Fliegen und Navigieren bis hin zu sozialen Interaktionen. Es ist sogar in der Lage, Kontexte zu erlernen, die mit Belohnung oder Bestrafung assoziiert sind.
Genetische Ähnlichkeiten zum Menschen
Ein weiterer Vorteil der Fruchtfliege als Modellorganismus ist die genetische Ähnlichkeit zum Menschen. Etwa 60 Prozent der menschlichen DNA sind mit der von Fruchtfliegen identisch, und drei von vier genetischen Krankheiten des Menschen gibt es auch bei Fruchtfliegen. Dies ermöglicht es Forschern, die genetischen Grundlagen von Krankheiten im Fliegenmodell zu untersuchen und potenzielle Therapieansätze zu entwickeln.
Kartierung des Fliegengehirns: Ein Durchbruch in der Neurowissenschaft
Ein internationales Forschungsteam des „FlyWire Consortiums“ hat erstmals eine vollständige Karte des Gehirns einer adulten Fruchtfliege erstellt. Diese Karte, auch Konnektom genannt, umfasst alle 139.255 Neuronen und 54,5 Millionen Synapsen der Fliege. Die Erstellung des Konnektoms war ein aufwendiger Prozess, bei dem das Gehirn in 7000 dünne Scheiben geschnitten und mit Elektronenmikroskopen hochaufgelöste Bilder angefertigt wurden. Anhand dieser 21 Millionen Bilder kartierten Neurowissenschaftler und professionelle Tracer akribisch die Positionen und Verbindungen jeder einzelnen Gehirnzelle.
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Ein detaillierter Atlas des Gehirns
Das Konnektom der Fruchtfliege ist mehr als nur eine Sammlung von Zellen und Verbindungen. Es enthält detaillierte Informationen über Zelltypen, Synapsen, Neurotransmitter und Netzwerkeigenschaften. Die Neurowissenschaftler beschrifteten die Gehirnkarte und versahen sie mit detaillierten Anmerkungen zu den einzelnen Zellen und Schaltkreisen. Dabei entdeckten sie mehr als 8.400 verschiedene Zelltypen, von denen 4.581 zuvor unbekannt waren.
Die Verbindung zwischen Gehirnstruktur und Verhalten
Ein wichtiger Aspekt der Gehirnkartierung ist die Untersuchung, welche Synapsen und neuronalen Schaltkreise für bestimmte Verhaltensweisen oder Bewegungen zuständig sind. Die Forscher fanden beispielsweise drei Neuronen, die Fliegen in ihrer Bewegung innehalten lassen: Foxglove, Bluebell und Brake genannt. Diese Erkenntnisse zeigen genauer als je zuvor, wie Körper und Gehirn miteinander kommunizieren und wie die Struktur des Gehirns dessen Funktion bestimmt.
Individuelle Unterschiede im Gehirn
Beim Vergleich der neuen Karte mit früheren Teilkarten des Fliegengehirns fanden die Wissenschaftler 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.
Anwendungen der Gehirnkarte
Die vollständige Karte des Fliegengehirns eröffnet neue Möglichkeiten für die neurowissenschaftliche Forschung. Sie kann dazu beitragen, die neuronalen Grundlagen von Verhalten, Lernen und Gedächtnisbildung besser zu verstehen. Darüber hinaus könnte sie die Entwicklung von maßgeschneiderten Behandlungen für Hirnerkrankungen und psychische Erkrankungen ermöglichen. Die Techniken, die zur Konstruktion des Schaltplans des Fruchtfliegengehirns verwendet wurden, könnten künftig auch zur Kartierung der Gehirne anderer Arten eingesetzt werden, einschließlich dem des Menschen.
Forschungsschwerpunkte im Fliegengehirn
Die Forschung am Fliegengehirn konzentriert sich auf verschiedene Aspekte der neuronalen Funktion und des Verhaltens. Einige Beispiele sind:
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Verhaltenssteuerung und Entscheidungsfindung
Wie entscheidet das Gehirn, was wir tun sollen? Diese grundlegende Frage der Verhaltenssteuerung untersucht Prof. Dr. David Owald mit seiner Arbeitsgruppe. Sie nutzen genetisch modifizierte Fruchtfliegen, um einzelne Nervenzellen zu aktivieren und dabei zuzusehen, wie sich ihr Verhalten ändert. Im Fokus stehen dabei konkurrierende Bedürfnisse wie Hunger und Müdigkeit oder Schlafbedürfnis versus Gefahrenabwehr.
Suchtmechanismen
Belohnung ist ein großes Thema in der Verhaltensforschung. Im Extremfall können Belohnungsreize sogar bei der Fruchtfliege zu einem „suchtähnlichen Verhalten“ führen. Die Forschenden nutzen fluoreszierende Farbstoffe und Spezialmikroskope, um die Aktivität von Hirnzellen während des Suchtverhaltens zu beobachten und den Suchtmechanismen auf die Schliche zu kommen.
Schlaf
Schlaf ist ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet. Im Projekt „Simple Minds“ untersucht Owald zusammen mit einem internationalen Team, wie sensorische Informationen gezielt gefiltert werden, um Schlaf bzw. das Ein- und Durchschlafen zu ermöglichen. Die Forschenden haben bereits herausgefunden, dass die rhythmischen Frequenzen, die man in der Fliege findet, denen des Menschen sehr ähnlich sind.
Hirnstoffwechsel
Dr. Stefanie Schirmeier und ihre Arbeitsgruppe erforschen, wie verschiedene Zucker in das Fliegengehirn gelangen und wie sie dort von den unterschiedlichen Zelltypen verstoffwechselt werden. Sie wiesen nach, dass Neurone von den sie umgebenden Gliazellen „gefüttert“ werden. Ein intakter Transport von Zuckern und anderen Nährstoffen ist die Grundlage dafür, dass das Gehirn funktioniert.
Visuelle Wahrnehmung
Forscher des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried haben herausgefunden, wie das Fliegenhirn Objekte unter den verschiedensten Bedingungen erkennt. Die Nervenzellen verändern ihre Empfindlichkeit konstant in Abhängigkeit vom aktuellen Umgebungskontrast. Dieser Mechanismus ermöglicht es dem Sehsystem, sich ständig an den gegebenen Umgebungskontrast anzupassen.
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Neuronale Plastizität
Gaia Tavosanis untersucht, wie Neuronen ihre Struktur aktiv verändern. Diese Fähigkeit unterstützt die Plastizität des Gehirns und ist somit wichtig für Lern- und Gedächtnisprozesse. Sie erforscht die zellulären Mechanismen, die bei der neuronalen Strukturdynamik eine Rolle spielen, indem sie sich anschaut, wie die Fliege Geruchsinformationen verarbeitet.
Die Rolle der Künstlichen Intelligenz
Die Kartierung des Fliegengehirns und die Modellierung seiner Funktionen wären ohne die Fortschritte in der künstlichen Intelligenz (KI) nicht möglich gewesen. KI-Algorithmen wurden eingesetzt, um die Millionen von Bildern des Gehirns auszuwerten und die Verbindungen zwischen den Nervenzellen zu rekonstruieren. Darüber hinaus wird KI verwendet, um Computermodelle des Fliegengehirns zu erstellen und das Verhalten der Fliege unter verschiedenen simulierten Bedingungen zu erforschen.
Erkenntnisse für die Künstliche Intelligenz
Die Forschung am Fliegengehirn liefert nicht nur Erkenntnisse über die Funktionsweise des Gehirns, sondern könnte auch die Methoden der modernen Computertechnik verbessern. Noch ist die Künstliche Intelligenz (KI) weit davon entfernt, so schlau zu sein, wie der Mensch. Vielleicht lassen sich die Mechanismen der neuronalen Arbeitsweise, die man in der Fliege identifiziert hat, technisch in einfachen Schaltkreisen realisieren. Es ist vorstellbar, dass auf diese Weise irgendwann Computerchips nach Vorbild des Gehirns entstehen, so genannte neuromorphe Rechner.