Internationales FlyWire-Konsortium kartiert vollständiges Konnektom des Fruchtfliegengehirns mit 140.000 Neuronen

Ein internationales Bündnis aus Neurowissenschaftlern, Informatikern und Bürgerwissenschaftlern – das FlyWire-Konsortium – hat den ersten vollständigen synaptischen Schaltplan (Konnektom) des Gehirns einer ausgewachsenen Fruchtfliege Zelle für Zelle vorgelegt. Der im Fachmagazin Nature in einer neunteiligen Studienreihe veröffentlichte Atlas entstand unter gemeinsamer Leitung von Forschern der Princeton University, der University of Cambridge und des MRC Laboratory of Molecular Biology und verzeichnet alle 139.255 Neuronen sowie 54,5 Millionen Synapsen einer weiblichen Taufliege (Drosophila melanogaster).

Obwohl das Gehirn einer Fruchtfliege weniger als einen Millimeter misst und damit kleiner als ein Mohnsamen ist, enthält es rund 149,2 Meter feinster biologischer Nervenbahnen, die Flugmanöver, räumliches Sehen, Orientierung, assoziatives Lernen, Körperpflege und Balzgesänge steuern. Vor dem FlyWire-Meilenstein waren vollständige Gehirn-Konnektome lediglich für den Fadenwurm Caenorhabditis elegans (302 Neuronen), den Meeresborstenwurm Platynereis dumerilii sowie eine Fruchtfliegenlarve (3.016 Neuronen) bekannt.

Elektronenmikroskopie, KI-Segmentierung und weltweites Korrekturlesen

Grundlage der Rekonstruktion war ein Rohdatensatz aus dem Jahr 2018 von Davi Bock und seinem Team am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute: Sie schnitten ein einzelnes Fliegengehirn in 7.050 ultradünne, 40 Nanometer feine Scheiben und fotografierten diese mittels Hochgeschwindigkeits-Transmissionselektronenmikroskopie. Um aus den 21 Millionen Graustufenbildern einen dreidimensionalen Schaltplan zu berechnen, entwickelten die Princeton-Professoren Sebastian Seung und Mala Murthy spezielle Machine-Learning-Algorithmen zur automatischen Erkennung von Zellmembranen und Synapsen.

Da künstliche Intelligenz allein an mikroskopischen Verzweigungen noch Fehler macht, baute das Team in Princeton eine offene Kollaborationsplattform auf, über die 287 Forscher aus mehr als 140 Laboren weltweit – unterstützt von engagierten Citizen-Science-Gamern – jedes einzelne Neuron manuell überprüften und annotierten. Teams um Gregory Jefferis in Cambridge und Philipp Schlegel ordneten die Schaltkreise anschließend 8.453 unterschiedlichen Zelltypen zu, von denen mehr als die Hälfte (4.581) zuvor wissenschaftlich unbeschrieben war.

“Wenn wir verstehen wollen, wie das Gehirn funktioniert, brauchen wir ein mechanistisches Verständnis davon, wie alle Neuronen zusammenpassen und das Denken ermöglichen. Das vollständige Konnektom der erwachsenen Fliege ist für die Neurowissenschaften bahnbrechend.” — Sebastian Seung, Professor für Neurowissenschaften und Informatik an der Princeton University

Simulation hirnweiter Signale und Wegbereiter für das Maus-Konnektom

Begleitstudien in der Nature-Ausgabe demonstrieren bereits die Vorhersagekraft der frei zugänglichen Datenbank. In einem Experiment erstellten Forscher in Princeton ein Computermodell des gesamten Konnektoms, das mit über 90-prozentiger Übereinstimmung zu Messungen an lebenden Fliegen vorhersagte, welche motorischen Schaltkreise bei der Reizung von süßen oder bitteren Geschmacksrezeptoren feuern. Weitere Arbeiten entschlüsselten die kompletten Sehbahnen für Farb- und Bewegungswahrnehmung sowie spezifische „Stopp“-Neuronen, die das Laufen der Fliege anhalten.

Da Drosophila rund 60 Prozent ihres Erbguts mit dem Menschen teilt – darunter drei Viertel aller bekannten menschlichen Krankheitsgene –, liefert das Konnektom laut den Forschern eine unverzichtbare Blaupause zur Erforschung neurologischer Erkrankungen und für energieeffiziente KI-Architekturen. Aufbauend auf den in FlyWire perfektionierten Methoden nehmen Neurobiologen nun das nächste Großziel ins Visier: die vollständige Kartierung des Mäusegehirns mit seinen rund 70 Millionen Neuronen.

Sources

• Nature Portfolio
• Princeton Neuroscience Institute