Ein Team von Wissenschaftlern, die von der BRAIN-Initiative der National Institutes of Health (NIH) unterstützt werden, darunter Davi Bock, Ph.D., außerordentlicher Professor für Neurologische Wissenschaften am Robert Larner, MD College of Medicine der UVM, hat kürzlich einen wesentlichen Fortschritt erzielt neurobiologische Forschung durch erfolgreiche Kartierung des gesamten Gehirns von Drosophila melanogaster, besser bekannt als Fruchtfliege.
Die Studie mit dem Titel „Annotation des gesamten Gehirns und Multikonnektom-Zelltypisierung von Drosophila“, veröffentlicht in Naturerstellte einen „Konsensus-Zelltypatlas“ oder einen umfassenden Leitfaden zum Verständnis der verschiedenen Zelltypen im Gehirn der Fruchtfliege. Das Gehirn der Fruchtfliege enthält etwa 130.000 Neuronen (das Gehirn eines Menschen enthält 86 Milliarden; Mäuse, die in wissenschaftlichen Forschungen und Tests oft den Menschen ersetzen, haben 100 Millionen Neuronen).
Der elektronenmikroskopische Datensatz, der dem Konnektom des gesamten Gehirns zugrunde liegt (bekannt als FAFB oder „Full Adult Fly Brain“), nutzt die detaillierten Formen jedes Neurons im Gehirn der Fliege sowie alle synaptischen Verbindungen zwischen ihnen, um alle Zelltypen zu identifizieren und zu katalogisieren im Gehirn.
Mithilfe dieser vollständigen Karte können Forscher erkennen, wie verschiedene Schaltkreise zusammenarbeiten, um Verhaltensweisen wie Motorik, Balz, Entscheidungsfindung, Gedächtnis, Lernen und Navigation zu steuern.
„Wenn wir verstehen wollen, wie das Gehirn funktioniert, brauchen wir ein mechanistisches Verständnis dafür, wie alle Neuronen zusammenpassen und Sie denken lassen“, bemerkte der Co-Leiter der Studie, Gregory Jefferis, Ph.D.
„Bei den meisten Gehirnen haben wir keine Ahnung, wie diese Netzwerke funktionieren. Jetzt haben wir für den Moment diesen vollständigen Schaltplan, ein wichtiger Schritt zum Verständnis komplexer Gehirnfunktionen. Tatsächlich nutzen wir unsere Daten, die während unserer Arbeit online geteilt wurden, von anderen Wissenschaftlern.“ haben bereits damit begonnen, zu simulieren, wie das Fliegengehirn auf die Außenwelt reagiert.“
„Um mit der digitalen Simulation des Gehirns zu beginnen, müssen wir nicht nur die Struktur des Gehirns kennen, sondern auch, wie die Neuronen funktionieren, um sich gegenseitig ein- und auszuschalten“, sagte Jefferis.
„Anhand unserer Daten, die während unserer Arbeit online geteilt wurden, haben andere Wissenschaftler bereits damit begonnen, zu simulieren, wie das Fliegengehirn auf die Außenwelt reagiert. Dies ist ein wichtiger Anfang, aber wir müssen dafür viele verschiedene Arten von Daten sammeln.“ zuverlässige Simulationen der Funktionsweise eines Gehirns erstellen.“
Während ähnliche Studien mit einfacheren Organismen wie dem Nematodenwurm C. elegans und dem Larvenstadium der Fruchtfliege durchgeführt wurden, bietet die erwachsene Fruchtfliege komplexere Verhaltensweisen, die es zu untersuchen gilt. Obwohl das Gehirn der Fruchtfliege deutlich weniger komplex ist als das eines Menschen oder sogar einer Maus, sind die Auswirkungen der Studie tiefgreifend.
Es gibt enorme Gemeinsamkeiten in der Art und Weise, wie neuronale Schaltkreise bei allen Arten Informationen verarbeiten. Diese Arbeit ermöglicht es, Prinzipien der Informationsverarbeitung in einem einfacheren Modellorganismus zu identifizieren und dann in größeren Gehirnen zu suchen.
Bock weist darauf hin, dass Wissenschaftler derzeit nicht in der Lage sind, diesen Ansatz auf das menschliche Gehirn zu übertragen, gibt jedoch an, dass diese Leistung einen bemerkenswerten Schritt in Richtung eines vollständigen Konnektoms eines Mausgehirns darstellt.
„Diese Art von Arbeit [being done across this field of connectomics] erweitert den Stand der Technik auf eine jahrhundertealte Art und Weise und ermöglicht es uns, sowohl die Formen und Verbindungen jedes einzelnen Neurons im gesamten Gehirn eines ziemlich hochentwickelten Tieres, der erwachsenen Fruchtfliege, abzubilden als auch zu kommentieren und zu analysieren „Wir verbinden die daraus resultierende Verbindung mit modernster Softwareanalyse“, sagte Bock.
„Weder die Lichtmikroskopie – selbst mit Mehrfarbenfluoreszenz – noch die klassische Golgi-Methode und ihre verwandten Ansätze haben diese Fähigkeit bereitgestellt.
„Diese Leistung auf der Ebene des gesamten Gehirns eines wichtigen genetischen Modellorganismus wie der Fruchtfliege zu erreichen, stellt einen bemerkenswerten Fortschritt auf diesem Gebiet dar.“
Diese Studie nutzt Tools und Daten, die von der erstellt wurden FlyWire-Konsortiumzu dem Studienleiter wie Bock von UVM gehören; Gregory Jefferis, Ph.D., und Philipp Schlegel, Ph.D., vom MRC Laboratory of Molecular Biology und der University of Cambridge; und Sebastian Seung, Ph.D. und Mala Murthy, Ph.D., von der Princeton University.
Das Konsortium verwendete elektronenmikroskopische Gehirnbilder, die zuvor in Bocks Labor erstellt wurden, um eine detaillierte Karte der Verbindungen zwischen Neuronen im gesamten erwachsenen Gehirn einer weiblichen Fruchtfliege zu erstellen. Diese Karte umfasst rund 50 Millionen chemische Synapsen zwischen den oben genannten 139.255 Neuronen der Fliege.
Die Forscher fügten außerdem Informationen über verschiedene Zelltypen, Nerven, Entwicklungslinien und Vorhersagen über die von Neuronen verwendeten Neurotransmitter hinzu. Das Open-Access-Datenanalysetool Connectome Data Explorer von FlyWire ist zugänglich und zum Download verfügbar und kann interaktiv durchsucht werden – alles im Sinne der Förderung der Teamwissenschaft. Diese Arbeit wird in einem Begleitdokument detailliert beschrieben Natur Artikel: „Neuronales Schaltplan eines erwachsenen Gehirns.“
„Wir haben die gesamte Datenbank offen und für alle Forscher frei zugänglich gemacht. Wir hoffen, dass dies für Neurowissenschaftler, die versuchen, besser zu verstehen, wie ein gesundes Gehirn funktioniert, einen Wandel bewirken wird“, erklärte Murthy. „Wir hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, zu vergleichen, was passiert, wenn in unserem Gehirn etwas schief geht, zum Beispiel bei psychischen Erkrankungen.“
Durch die Verfolgung von Verbindungen zwischen Sinneszellen und Motoneuronen können Forscher potenzielle Schaltkreismechanismen aufdecken, die das Verhalten von Fruchtfliegen steuern. Dies stellt einen entscheidenden Schritt zum Verständnis der Komplexität menschlicher Kognition und Verhaltensweisen dar.
„Die winzige Fruchtfliege ist überraschend raffiniert und dient seit langem als aussagekräftiges Modell zum Verständnis der biologischen Grundlagen des Verhaltens“, sagte John Ngai, Ph.D., Direktor des NIH Die BRAIN-Initiative.
„Dieser Meilenstein stellt Forschern nicht nur neue Werkzeuge zur Verfügung, um zu verstehen, wie die Schaltkreise im Gehirn das Verhalten steuern, sondern dient auch als Vorreiter für die laufenden Bemühungen, die Verbindungen größerer Säugetier- und menschlicher Gehirne zu kartieren.“
Weitere Informationen:
Annotation des gesamten Gehirns und Multikonnektom-Zelltypisierung von Drosophila, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07686-5, www.nature.com/articles/s41586-024-07686-5
Neuronaler Schaltplan eines erwachsenen Gehirns, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07558-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07558-y