Synapse für Synapse:
Gehirnstruktur des Lernens vollständig kartiert
Neurobiologen erstellen komplette Landkarte vom Larvengehirn
Einem internationalen Konsortium von Wissenschaftlern unter Beteiligung von Forschern des Leibniz-Instituts für Neurobiologie (LIN) ist es gelungen, jede einzelne Verbindung aller Nervenzellen im Gedächtnissystem der Fliegenlarve komplett zu kartographieren. Diese sogenannten Pilzkörper stellen einen Minimal-Schaltkreis für Lern- und Gedächtnisprozesse dar. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachmagazin Nature publiziert.
Die Fruchtfliege Drosophila ist im Alltag eher wenig populär, doch in der Wissenschaft ist der kleine Organismus ein gern gesehener Gast. Dient er doch den Neurobiologen als wichtiger Modellorganismus. Ein bedeutender Bestandteil des Strickleiternervensystems mit circa 100.000 Nervenzellen sind die sogenannten Pilzkörper, die als Speicherzentrale für Gedächtnisse fungieren. Sie sind daran beteiligt, dass die Fliege einfache Aufgaben neu lernen und sich erinnern kann. Dies kann sie auch bereits als Larve, obwohl ihr Nervensystem noch zehnmal weniger Nervenzellen als im Erwachsenenalter enthält – eine Art Minimal-Schaltkreis für das Gedächtnis also.
Ein internationales Konsortium hat sich der Mammutaufgabe gestellt, diese Minimal-Schaltkreise komplett zu erfassen. Die Wissenschaftler vom HHMI Janelia Campus, aus New York, Baltimore, Cambridge, Konstanz und Magdeburg begannen 2012 mit der Studie, an der eine Vielzahl von Forschern beteiligt waren. Sie fertigten elektronenmikroskopische Hirnschnitte an, um alle synaptischen Verbindungen vollständig erfassen zu können. Professor Bertram Gerber, Abteilungsleiter am LIN und Mitglied im Center for Behavioral Brain Sciences - CBBS, erklärt: „Mit Hilfe des Elektronenmikroskops konnten wir Synapse für Synapse des Pilzkörpers kartieren.“
Erstaunlich war, was die Forscher bei ihrer Analyse entdeckten: „Mehr als die Hälfte der synaptischen Verschaltungen war bisher nicht bekannt. Das ist, als würden Sie eine Landkarte bekommen, aber es gibt keine Straßennamen und Sie wissen auch nicht, ob die Straße eine Landstraße ist, ein Feldweg oder eine Autobahn. Und außerdem fehlt die Hälfte der Straße. Jetzt kennen wir alle Straßen, ihre Namen und wissen ob es eine Einbahnstraße ist“, sagt Gerber.
Nur eine groß angelegte Kooperation, neue Methoden der Elektronenmikroskopie und vor allem die Weiterentwicklung der Software zur Aufarbeitung des riesigen anatomischen Datenschatzes von Millionen von Nervenzellsynapsen ermöglichten diese neuen Einblicke in die Landkarte des Fliegengehirns. Und es könnte noch nicht das Ende dieser Entwicklung sein. „Die Software ist seit 2012 ungefähr zehnmal schneller geworden und wird immer weiter verbessert. Das wird in der Zukunft zum Beispiel Vergleiche von Hirnstrukturen von trainierten und nicht trainierten Tieren ermöglichen. Zudem sind im Prinzip ähnliche Analysen jetzt auch im Säugergehirn denkbar“, so Gerber weiter.
Die Forscher betonen, dass die Bedeutung solcher Komplettkartierungen von Gehirnen mit der Entschlüsselung der DNA im Genom vergleichbar ist, die große Fortschritte für die biomedizinische Forschung ermöglicht hat. Für die neurobiologische Hirnforschung dürfte es ein vergleichbar großer Sprung sein, alle Nervenverbindungen im Gehirn zuordnen zu können.
Für den Menschen sind die gewonnenen Einblicke in die komplexen Lern-Schaltkreise der Drosophila außerdem nützlich, um diese Schaltkreise auch auf kleine insektenartige Roboter zu übertragen, die sich autonom bewegen und lernen können sollen.
Weitere Informationen finden Sie online in der Originalpublikation: http://www.nature.com/nature/journal/v548/n7666/full/nature23455.html?foxtrotcallback=true
Pressetext: LIN
Im linken Bild sind die beiden Gehirnhemisphären mit den Pilzkörpern und dem Strickleiternervensystem der Fliegenlarve zu sehen. Im rechten Bild wurden alle Nervenzellen einzeln visualisiert. So können die Forscher alle synaptischen Verschaltungen kartieren, Bildquelle: Dr. Katharina Eichler / Universität Konstanz.
