FlyEM: Forscher erstellen hochaufgelöste 3D-Karte eines Gehirns

Forscher in den USA haben ein Diagramm der Neuronen und ihrer Verschaltungen im Gehirn einer Fliege erstellt. Darüber erhoffen sie sich Erkenntnisse über dessen Funktionsweise. Google hat für das Projekt Maschinenlern-Algorithmen zur Verfügung gestellt.

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Drosophila melanogaster: Was denkt sie wohl gerade?
Drosophila melanogaster: Was denkt sie wohl gerade? (Bild: Rolf Dietrich Brecher/Wikipedia/CC-BY 2.0)

Besonders beeindruckend ist das Gehirn einer Fruchtfliege nicht gerade. Es hat etwa 100.000 Nervenzellen - zum Vergleich: Ein menschliches hat 86 Milliarden. Wissenschaftler von Google und dem Janelia Research Campus im US-Bundesstaat Virginia haben eine Karte der Nervenverbindungen im Gehirn des Insekts erstellt. Es ist die bislang am höchsten aufgelöste Karte dieser Art.

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Die Karte deckt nur einen Teil des Gehirns der Fruchtfliege ab. Sie umfasst 25.000 Neuronen und rund 20 Millionen Verbindungen zwischen ihnen. In dem erfassten Bereich finden einige wichtige Funktionen statt, darunter Lernen, Riechen oder räumliche Navigation.

An dem Projekt waren Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen beteiligt: Biologen ebenso wie Informatiker und Physiker. Um das Gehirn abbilden zu können, wurde es zunächst in etwa 20 Mikrometer dünne Scheiben zerschnitten. Diese wurden dann mit einem Focused-Ion-Beam-Rasterelektronenmikroskop abgetastet. Das Ergebnis war eine Unmenge von dreidimensionalen Pixeln, sogenannten Voxeln.

Diese Voxel wurden analysiert, um die einzelnen Neuronen und Synapsen zu identifizieren und zu markieren. Diese Aufgaben übernahmen Maschinenlern-Algorithmen von Google. Allerdings mussten am Ende Menschen deren Arbeit noch einmal prüfen: Mit Hilfe von VR-Brillen vollzogen sie die Wege der Neuronen nach. Dieses Korrekturlesen habe mehr als 50 Personenjahre erfordert, schreiben die Forscher in einem Aufsatz, der als Preprint auf dem Dokumentenserver Biorxiv abrufbar ist.

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Eine solche Karte oder Konnektom zeigt die Verschaltungen von verschiedenen Hirnregionen. Sie sollen dazu beitragen, zu verstehen, wie ein Gehirn funktioniert. Frühere solcher Konnektom bildeten zwar das ganze Gehirn der Drosophila melanogaster ab, hatten aber eine geringere Auflösung. Wissenschaftler haben auch schon ein vollständiges Konnektom erstellt: von einem Spulwurm, der nur 300 Neuronen hat.

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