Komplette Nervenkarte einer Fruchtfliege erstellt

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Harvard Medical School und der Princeton University hat einen Meilenstein der Neurowissenschaften erreicht: Erstmals liegt eine vollständige Karte aller Nervenverbindungen im zentralen Nervensystem einer erwachsenen Fruchtfliege vor. Die Karte, auch Konnektom genannt, zeigt jede einzelne Verbindung zwischen den rund 160.000 Nervenzellen der Fliege – vom Gehirn bis zum rückenmarksähnlichen Nervenstrang, der die Beine und Flügel steuert.

Bisher gab es getrennte Karten für das Gehirn und den Nervenstrang. Die neue Arbeit vereint beide und erlaubt erstmals, den Informationsfluss von der Sinneswahrnehmung bis zur Bewegung über das gesamte Nervensystem zu verfolgen. „Wir können jetzt alle Nervenzellen und ihre Verbindungen als vollständige Einheit sehen und fragen: Was lernen wir daraus?“, sagt Rachel Wilson, Professorin für Neurobiologie an der Harvard Medical School und Mitautorin der Studie.

Um die Karte zu erstellen, zerschnitten die Forscher eine einzelne Fruchtfliege in tausende hauchdünne Scheiben und fotografierten sie mit einem Elektronenmikroskop. Künstliche Intelligenz half dabei, die Millionen von Bildern zu einem dreidimensionalen Modell zusammenzusetzen. Das Ergebnis ist eine detaillierte Karte, die zeigt, wie jede Nervenzelle mit anderen verbunden ist – auf der Ebene einzelner Synapsen, der winzigen Kontaktstellen zwischen Nervenzellen.

Die Forscher machten eine überraschende Entdeckung: Die Steuerung von Bewegungen erfolgt bei der Fruchtfliege nicht von einem zentralen Kommandozentrum im Gehirn aus. Stattdessen wird die Bewegung eines Beins hauptsächlich von den Nervenschaltkreisen in genau diesem Bein gesteuert. Diese lokalen Schaltkreise kommunizieren dann mit den Schaltkreisen der anderen Beine, um koordinierte Bewegungen wie das Laufen zu ermöglichen. Dasselbe Muster zeigte sich bei den Flügeln, dem Mund und anderen Körperteilen.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kontrolle von Handlungen stark verteilt ist – in lokalen Modulen, die auf unterschiedliche Weise zusammenarbeiten“, erklärt Alexander Bates, ebenfalls Forscher an der Harvard Medical School und Co-Erstautor der Studie. Diese Erkenntnis stellt eine jahrzehntealte Annahme in Frage, wonach das Gehirn als zentraler Dirigent fungiert, der alle Bewegungen befiehlt.

Die vollständige Karte ist nun frei im Internet verfügbar und steht Forschern weltweit als Ressource zur Verfügung. Die Arbeit wurde am 8. Juni im Fachjournal Nature veröffentlicht und unter anderem von der US-amerikanischen BRAIN-Initiative, den National Institutes of Health und der National Science Foundation gefördert. Die Forscher planen, die Karte weiter zu ergänzen, etwa um Details zu Neuropeptiden – kleinen, proteinähnlichen Molekülen, mit denen Nervenzellen kommunizieren.

Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist ein klassisches Modell in der Neurowissenschaft. Obwohl ihr Nervensystem nur etwa 160.000 Nervenzellen umfasst – das menschliche Gehirn hat rund 86 Milliarden –, kann sie komplexe Verhaltensweisen zeigen: Sie navigiert, interagiert sozial, lernt und reagiert auf Sinnesreize. Viele Entdeckungen aus der Fruchtfliegenforschung, etwa zur Navigation, zum Geruchssinn und zum Gedächtnis, haben sich später auch auf Säugetiere übertragen lassen.

Die neue Karte könnte daher grundlegende Prinzipien offenbaren, die für Nervensysteme aller Arten gelten – auch für den Menschen. „Das Konnektom hat uns gezeigt, dass die meisten unserer Hypothesen zu einfach sind“, sagt Wei-Chung Allen Lee, Professor für Neurobiologie an der Harvard Medical School. „Jetzt können wir komplexere Hypothesen entwickeln und mit Experimenten testen.“