Das Gehirn ist nicht nur beim Menschen ein besonders komplexes Organ. Schon das Gehirn einer Fliege enthält über 100.000 Nervenzellen, die durch Millionen von Synapsen miteinander verbunden sind. Erstmals hat eine internationale Forschergemeinschaft nun sämtliche Nervenzellen mit ihren entsprechenden synaptischen Verbindungen im Gehirn einer erwachsenen weiblichen Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, rekonstruiert und veröffentlicht.
Einen wichtigen Beitrag zu dieser Forschung leistete das Team um Prof. Dr. Marion Silies von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Es analysierte Nervenzellen der Sehnervenlappen, also jener Teile des Gehirns, die visuelle Informationen verarbeiten. Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass ein bestimmter Nervenzelltyp im Auge der Fruchtfliege nicht einheitlich verdrahtet ist.
„Dies stellt unser derzeitiges Verständnis von der Organisation des Auges in Frage“, sagt Neurobiologe Silies angesichts der Ergebnisse.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
FlyWire-Konsortium erstellt das erste vollständige Gehirn-Konnektom für Drosophila
Unter der Leitung eines Forscherteams der Princeton University und mithilfe künstlicher Intelligenz ist es dem FlyWire-Konsortium gelungen, das gesamte Konnektom des Gehirns von Drosophila melanogaster zu kartieren. Unter dem Begriff „Konnektom“ versteht man alle Neuronen und die synaptischen Verbindungen zwischen ihnen, die für die neuronale Funktion eine wichtige Rolle spielen.
Hunderte von Forschern aus aller Welt lieferten die entsprechenden Informationen. Das Ergebnis ist ein neuronales Schaltbild von mehr als 130.000 Nervenzellen und 50 Millionen Synapsen, das zunächst durch die Anfertigung von Elektronenmikroskopiebildern ultradünner Hirngewebeschnitte erstellt wurde. Anschließend wurden die Bilder kombiniert, Neuronen nachgezeichnet und Zelltypidentitäten vermerkt.
„Dieser Datensatz ist einzigartig und wird die gesamte Neurobiologie revolutionieren“, sagt Professor Silies. „Dank dieser Informationen können wir nun viel besser analysieren, wie das Gehirn funktioniert.“
Silies‘ Team am Institut für Entwicklungsbiologie und Neurobiologie (IDN) der JGU ist auf die Erforschung visueller Systeme spezialisiert und hat damit nicht nur zum erfolgreichen Abschluss des FlyWire-Projektes beigetragen, sondern auch neue Aspekte der Verarbeitung visueller Informationen aufgedeckt.
Kern ihrer Entdeckung sind bestimmte transmedulläre Zelltypen, die in den rund 800 Einzeleinheiten des Facettenauges der Fruchtfliege nur zwei Synapsen hinter den Photorezeptoren liegen. „Visuelle Systeme sind homogen aufgebaut, und man dachte, das würde sich auch auf der Ebene der synaptischen Verdrahtung fortsetzen“, erklärt Silies. Das Prinzip der homogenen Verdrahtung des Auges gelte sowohl für Drosophila melanogaster als auch für den Menschen.
Schließlich wäre es sinnvoll, da die Umwelt in unterschiedlichen Regionen des Auges auf die gleiche Art und Weise wahrgenommen und verarbeitet werden sollte.
Neuronen sind nicht so homogen verdrahtet wie gedacht
„Wir haben nun festgestellt, dass bestimmte Nervenzellen, zum Beispiel vom Transmedulla-Zelltyp Tm9, keine homogene Verdrahtung, sondern eine heterogene Konnektivität aufweisen“, so das Team. Frühere Beobachtungen hatten gezeigt, dass diese Zellen auf einen bestimmten Reiz nicht immer gleich reagieren. Silies‘ Team hat nun eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen vorgeschlagen.
„Es scheint, dass das Auge der Fliege visuelle Reize an verschiedenen Punkten im Raum unterschiedlich verarbeitet“, erklärte der Autor. Um zu überprüfen, ob ihre Ergebnisse im Fall der Tm9-Zellen kein ungewöhnliches Merkmal einer einzelnen weiblichen Fruchtfliege waren, erstellte die Gruppe zusätzliche Lichtmikroskopiebilder von Proben anderer Fruchtfliegen und lieferte damit bestätigende Beweise.
„Im nächsten Schritt gilt es herauszufinden, ob dieser Variabilität ein bestimmtes Muster zugrunde liegt oder ob es sich nur um ein zufälliges Phänomen handelt“, skizziert Professorin Marion Silies die künftige Forschung.
Für Silies wirft diese Arbeit die Frage auf, warum es diese Heterogenität im Sehsystem der Fliege gibt. Handelt es sich um eine Art zufälligen Nebeneffekt oder ist die Variabilität für eine robuste visuelle Verarbeitung notwendig?
Diese grundlegende Frage wird ihre Gruppe mithilfe der Forschungsgruppe RobustCircuit weiter erforschen, zu der auch weitere Forscher der JGU sowie der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin und des Zuse-Instituts Berlin (ZIB) gehören.
Mehr Informationen:
Jacqueline Cornean et al, Heterogenität der synaptischen Konnektivität im visuellen System der Fliege, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45971-z