Vom Abheben bis zum Flug wird die Verdrahtung des Nervensystems einer Fliege kartiert

Derzeit wird an einem Schaltplan der motorischen Schaltkreise im zentralen Nervensystem gearbeitet, die die Muskeln von Fruchtfliegen steuern. Dieses Konnektom, wie der Schaltplan genannt wird, liefert bereits detaillierte Informationen darüber, wie sich die Nervenkoordination der Beinbewegungen von derjenigen zur Steuerung der Flügel unterscheidet.

Obwohl Fruchtfliegen wie einfache Lebewesen wirken, weisen ihre motorischen Systeme den Forschern zufolge „ein unerwartetes Maß an Komplexität“ auf.

„Ein typisches Motorneuron einer Fliege erhält Tausende von Synapsen von Hunderten präsynaptischen Prämotorneuronen“, stellten die Wissenschaftler fest. „Diese Zahl entspricht dem Ausmaß der synaptischen Integration in Pyramidenzellen der Nagetierrinde.“

Einige der neuesten Erkenntnisse auf diesem Gebiet werden in zwei Artikeln am 26. Juni in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht NaturSie tragen den Titel „Synaptische Architektur prämotorischer Kontrollnetzwerke für Beine und Flügel bei Drosophila“ Und „Konnektomische Rekonstruktion eines ventralen Nervenstrangs einer weiblichen Drosophila.“

Die leitenden Wissenschaftler, die die Forschung gemeinsam beaufsichtigten, waren John C. Tuthill, außerordentlicher Professor für Physiologie und Biophysik an der University of Washington School of Medicine in Seattle, und Wei-Chung Allen Lee, außerordentlicher Professor für Neurologie an der Harvard Medical School in Boston. Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus mehreren Institutionen war an den Studien beteiligt.

Diese Forschung trägt zum Verständnis bei, wie das zentrale Nervensystem bei Tieren einzelne Muskeln koordiniert, um eine Vielzahl von Verhaltensweisen auszuführen. Eine Fruchtfliege nutzt ihre Beine beispielsweise zum Springen, Gehen, Putzen, Kämpfen und Balzverhalten. Sie kann ihren Gang auch an Gelände wie Zimmerpflanzen, Wände, feuchte Oberflächen, Decken – und sogar Laufbänder in Insektengröße – anpassen.

Alle diese Bewegungen, von Haltungsreflexen, die es einer Fliege ermöglichen, ihre Position zu halten, bis hin zum Überwinden von Hindernissen oder zum Ändern der Flugrichtung, entstehen durch elektrische Signale von Motorneuronen. Diese Signale werden über fadenförmige Fortsätze vom Motorneuron weitergeleitet, um Muskeln zu stimulieren.

Die sechs Beine einer Fliege werden von nur 60 bis 70 Motoneuronen gesteuert, betonten die Forscher. Bei einer Katze, so stellten sie fest, versorgen etwa 600 Motoneuronen einen einzigen Wadenmuskel. Nur 29 Motoneuronen steuern die Kraft- und Lenkmuskeln eines Fruchtfliegenflügels. Zum Vergleich: Der Brustmuskel eines Kolibris wird von 2.000 Motoneuronen versorgt.

Obwohl die Fliege nur wenige Motorneuronen besitzt, vollbringt sie in der Luft und auf dem Boden bemerkenswerte Leistungen.

Die Wissenschaftler erklärten, dass motorische Einheiten aus einem einzigen Motorneuron und den Muskelfasern bestehen, die es erregen kann. Verschiedene motorische Einheiten, die in unterschiedlichen Kombinationen und Sequenzen aktiviert werden, arbeiten zusammen, um eine Vielzahl von Bewegungsverhalten zu erreichen.

Die Wissenschaftler der beiden Studien interessierten sich für die Verdrahtungslogik prämotorischer Schaltkreise. Sie wollten verstehen, wie das Nervensystem einer Fliege motorische Einheiten koordiniert, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen.

In einer der Studien wurden automatisierte Tools, maschinelles Lernen, Zelltypannotation und Elektronenmikroskopie eingesetzt, um 14.600 neuronale Zellkörper und etwa 45 Millionen Synapsen (Signalübertragungsknoten) im ventralen Nervenstrang einer weiblichen Fruchtfliege zu identifizieren. Der ventrale Nervenstrang bei Fliegen ist analog zum Rückenmark bei Wirbeltieren. Die Wissenschaftler wandten anschließend Deep Learning an, um die Anatomie der Neuronen und ihre Verbindungen in der gesamten weiblichen Fliege automatisch zu rekonstruieren.

Anschließend verwendeten die Forscher ausgefeilte Methoden, um die Muskeln zu kartieren, die von Bein- und Flügelmotorneuronen angesprochen werden. Sie ermittelten, welche Motorneuronen im Nervenstrangkonnektom des weiblichen Erwachsenen mit einzelnen Muskeln im Vorderbein und im Flügel verbunden sind. Auf dieser Grundlage erstellten sie einen Atlas der Schaltkreise, die die Bein- und Flügelbewegungen der Fliege während des Abhebens und der Einleitung der Flugmotorik koordinieren.

Um in die Luft zu kommen, streckt die Fliege ihre Mittelbeine zum Absprung aus und beugt ihre Vorderbeine zum Abheben. Das ist ungefähr so, als würde ein rollendes Flugzeug seine Räder einfahren, nachdem es vom Boden abgehoben hat, oder ein Watreiher, der seine dünnen Beine anzieht, damit sie nicht im Weg sind, wenn er in den Himmel stürmt.

Im Rahmen ihrer Arbeit stellten die Wissenschaftler zudem fest, dass manche Muskelfasern bei erwachsenen Fliegen von mehreren Motoneuronen innerviert werden. Dies ist auch im Larvenstadium der Fruchtfliege und bei Heuschrecken der Fall. Während einige Säugetiere als Neugeborene mehrere Innervationen von Nervenfasern aufweisen, verschwinden diese im Erwachsenenalter meist wieder.

Mehrere Innervationen könnten für mehr Flexibilität sorgen und erklären, warum die Gliedmaßen eines Insekts trotz so geringer motorischer Neuronen präzise funktionieren können.

Die Wissenschaftler untersuchten außerdem das Motorsystem der Flügel der Fliege, das grob in drei Abschnitte unterteilt ist, deren Funktion darin besteht, den Antrieb für den Flügelschlag zu liefern, das Insekt zu steuern und die Flügelbewegung anzupassen.

Die Untersuchung der Konnektivität der prämotorischen Neuronen ermöglichte es den Forschern, die Organisation der prämotorischen Schaltkreise für zwei Arten von Gliedmaßen zu vergleichen. Das Bein und der Flügel bei Fruchtfliegen haben jeweils eine unterschiedliche Evolution und Biomechanik.

Allgemeiner gesagt ermöglichen Konnektome den Wissenschaftlern, neue Theorien über die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise zu entwickeln und einige falsche Vorstellungen zu widerlegen. Die Wissenschaftler erwähnten, dass die jüngste Gemeinschaftsanstrengung zur Entwicklung des Konnektoms der Fruchtfliege zu einem der ersten Schaltpläne auf Synapsenebene für ein Lebewesen mit Gliedmaßen geführt hat. Sie hoffen, dass zusätzliche Konnektome es den Forschern ermöglichen werden, die neuronale Verdrahtung zwischen Individuen zu vergleichen. Die erwartete Rekonstruktion des zentralen Nervenstrangs einer männlichen Fruchtfliege könnte Unterschiede zwischen den Geschlechtern aufzeigen.