Harvard und Princeton kartieren jedes Neuron im Nervensystem der Fruchtfliege

Ein großes internationales Team unter der Leitung der Harvard Medical School und der Princeton University hat das erste vollständige Schaltbild aller neuronalen Verbindungen im zentralen Nervensystem einer erwachsenen Fruchtfliege veröffentlicht – ein Meilenstein, der zeigt, dass die motorische Kontrolle durch verteilte lokale Schaltkreise und nicht durch ein zentrales Gehirn-Kommandozentrum funktioniert.

Ein vollständiger neuronaler Bauplan

Die Arbeit, die am 8. Juni unter dem Titel „Distributed control circuits across a brain-and-cord connectome“ in Nature veröffentlicht wurde, kombiniert ein zuvor veröffentlichtes Gehirn-Konnektom mit einer neu fertiggestellten Karte des Nervenstrangs der Fruchtfliege – dem Äquivalent zum Rückenmark –, um ein einheitliches Diagramm von etwa 160.000 Neuronen und all ihren synaptischen Verbindungen zu erstellen.eurekalert+1

„Wir können zum ersten Mal alle Neuronen und ihre Verbindungen als eine vollständige Einheit sehen und uns fragen: ‚Was lernen wir daraus?‘“, sagte die Co-Senior-Autorin Rachel Wilson vom Blavatnik Institute der Harvard Medical School.hms.harvard

Das Projekt entstand aus der Zusammenführung zweier Bemühungen: dem Gehirn-Konnektom des FlyWire-Konsortiums von 2024, geleitet von Mala Murthy und Sebastian Seung in Princeton, und einem Nervenstrang-Konnektom, das im Labor des Co-Senior-Autors Wei-Chung Allen Lee an der Harvard Medical School entwickelt wurde. Der kombinierte Datensatz, bekannt als BANC (Brain and Nerve Cord), wurde durch die Erstellung Tausender Serienschnitte einer einzelnen Fruchtfliege, deren Abbildung mittels Elektronenmikroskopie und die Verwendung von KI zum Zusammenfügen von Millionen von Bildern zu einer kohärenten dreidimensionalen Karte erstellt.eurekalert+1

Verteilte Kontrolle statt zentralem Kommando

Das zentrale Ergebnis der Studie widerlegt eine langjährige Annahme in der Neurowissenschaft. Anstatt dass ein zentraler Controller im Gehirn die Aktionen eines Tieres steuert, funktioniert die motorische Kontrolle bei der Fruchtfliege hauptsächlich auf lokaler Ebene – zum Beispiel wird die Beinbewegung einer Fliege hauptsächlich durch neuronale Schaltkreise gesteuert, die diesem Bein gewidmet sind, welche dann mit Schaltkreisen für andere Gliedmaßen koordinieren, um komplexe Verhaltensweisen wie Gehen zu erzeugen.hms.harvard+1

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kontrolle für Aktionen in lokalen Modulen hochgradig verteilt ist, die sich verbinden und auf unterschiedliche Weise zusammenarbeiten“, sagte der Co-Erstautor Alexander Bates.eurekalert

Auswirkungen auf KI, Robotik und darüber hinaus

Das gesamte Konnektom ist online frei verfügbar, und die Forscher ziehen Parallelen zum Humangenomprojekt als offene Ressource mit breiten Anwendungen. Die Co-Erstautorin Helen Yang merkte an, dass selbst fortschrittliche KI-Systeme das Verhaltensrepertoire einer Fruchtfliege nicht replizieren können: „Es könnte Lehren für die KI darin geben, wie das Nervensystem organisiert ist“.hms.harvard+1

Die Arbeit wurde von der U.S. BRAIN Initiative, den National Institutes of Health und der National Science Foundation unterstützt. Lee untersucht nun, ob eine ähnliche verteilte Kontrolle bei Mäusen existiert – eine Frage mit direkter Relevanz für das Verständnis von Säugetier-Nervensystemen.eurekalert+1