The female larval fly CNS connectome: first draft

Um zu verstehen, wie ein Tier denkt oder sich bewegt, betrachten Wissenschaftler oft das Verdrahtungsschema seines Gehirns, das als Konnektom bezeichnet wird. Diese Karte zeigt jedes einzelne Neuron und die spezifischen Verbindungen, die Synapsen, an denen sie miteinander kommunizieren. Genau wie zwei Menschen gleichen Alters und gleicher Herkunft unterschiedliche Handschriften oder verschiedene Wege zur Lösung eines Problems haben können, können selbst genetisch identische Tiere eine leicht unterschiedliche Gehirnverdrahtung aufweisen. Um herauszufinden, welche Teile eines Gehirns flexibel und welche starr sind, müssen Forscher die Gehirne vieler Individuen kartieren, um zu sehen, wie stark sie variieren. Lange Zeit war die Erstellung dieser Karten unglaublich schwierig, da die Strukturen mikroskopisch klein sind und die erforderlichen Daten gewaltig sind. Die Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, ist seit langem ein Lieblingsobjekt für diese Art von Arbeit, da ihr Nervensystem klein genug ist, um handhabbar zu sein, aber komplex genug, um interessant zu sein. Während Wissenschaftler bereits Teile des adulten Fliegengehirns kartiert haben, blieb die Larvenphase – die winzige, wurmähnliche Form, die aus dem Ei schlüpft – weitgehend unkartiertes Neuland, obwohl dies eine entscheidende Zeit ist, in der das Gehirn lernt, den Körper zu steuern.

Ein Forschungsteam hat nun das erste vollständige, wenn auch noch grobe, Verdrahtungsdiagramm des gesamten zentralen Nervensystems einer weiblichen Fruchtfliegenlarve veröffentlicht. Sie nennen diesen Datensatz „Octo“. Unter Verwendung eines leistungsstarken Typs von Elektronenmikroskop, der Gewebe mit extremer Präzision durchschneidet, erstellten sie ein dreidimensionales Bild des gesamten Gehirns und des Nervenstrangs der Larve. Das resultierende Bild ist ein massiver Datenblock, der frei von den Lücken und Verzerrungen ist, die solche Projekte oft plagen. Aus diesem Rohbild nutzte das Team künstliche Intelligenz, um die Pfade der Neuronen automatisch nachzuverfolgen, die winzigen Kraftwerke im Inneren dieser Zellen, die Mitochondrien, zu lokalisieren, die unterstützenden Gliazellen zu identifizieren und vorherzusagen, wo die Neuronen miteinander verbunden sind. Diese Arbeit bietet die erste vollständige Ansicht des zentralen Nervensystems einer Larvenfliege und dient als Grundlage für zukünftige Studien, die viele Individuen vergleichen werden, um zu verstehen, wie die Gehirnschaltkreise variieren und wie diese Variationen zu unterschiedlichem Verhalten führen können.

Die Forscher begannen damit, eine einzelne weibliche Larve vorzubereiten und sie mit verbesserter fokussierter Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie (FIB-SEM) abzubilden. Diese Technik ermöglichte es ihnen, das Gewebe mit einer Auflösung von 8 Nanometern in jede Richtung zu sehen und Details so klein wie die Membranen, die Zellen trennen, zu erfassen. Das endgültige Bildvolumen ist enorm und enthält Milliarden winziger 3D-Pixel, die einen physischen Raum von etwa der Größe eines Sandkorns repräsentieren. Um diese Daten sinnvoll zu interpretieren, wandte das Team eine Reihe von Computerprogrammen an, die darauf ausgelegt sind, Muster zu erkennen. Sie erzeugten drei verschiedene Versionen der Neuronenkarte. Eine Version deckt das gesamte Nervensystem ab, einschließlich der Zellkörper, in denen Neuronen entstehen, und der langen Fasern, die Signale übertragen. Zwei andere Versionen konzentrieren sich speziell auf das dichte Geflecht von Verbindungen im Zentrum des Gehirns, das Neuropil. Durch den Vergleich dieser computergenerierten Karten mit einer kleinen Anzahl von Neuronen, die menschliche Experten sorgfältig von Hand überprüft hatten, stellte das Team fest, dass die umfassendste Karte, die mit einer Methode namens Flood-Filling Networks erstellt wurde, am genauesten darin war, einzelne Neuronen vollständig zu halten, ohne sie versehentlich zu teilen oder zwei verschiedene Neuronen zu einem zu verschmelzen.

Über das bloße Nachverfolgen der Drähte hinaus kartierte das Team auch die Positionen der Synapsen, der winzigen Übergangsstellen, an denen ein Neuron ein Signal an ein anderes weitergibt. Sie trainierten ein Computermodell an einigen kleinen, manuell annotierten Abschnitten des Gehirns, in denen Wissenschaftler mühsam hunderte von Verbindungen identifiziert hatten. Soblich das Modell gelernt hatte, wie eine Synapse in diesem spezifischen Typ von Bild aussieht, scannte es das gesamte Nervensystem und sagte über 3,5 Millionen potenzielle Verbindungen voraus. Obwohl diese Vorhersagen noch nicht perfekt sind und eine menschliche Verifizierung erfordern, stellen sie einen ersten Entwurf des gesamten Kommunikationsnetzwerks dar. Das Team kartierte auch die Mitochondrien, die energieerzeugenden Organellen innerhalb der Zellen, sowie die Gliazellen, die die Neuronen umhüllen und unterstützen. Diese zusätzlichen Karten sind wichtig, da die Form und Lage der Mitochondrien Wissenschaftlern helfen können, zu verifizieren, ob ein Neuron intakt ist, und die Gliazellen bieten den Kontext für die Organisation des Gehirns.

Die Autoren betonen deutlich, dass diese Veröffentlichung ein Ausgangspunkt und kein fertiges Produkt ist. Die aktuellen Karten sind weitgehend ungeprüft, was bedeutet, dass zwar der Computer die schwere Arbeit des Nachverfolgens der Strukturen geleistet hat, aber noch kein Mensch jede einzelne Linie auf Fehler überprüft hat. Die Korrektur des gesamten Datensatzes von Hand würde Jahrzehnte der Arbeit erfordern, daher hofft das Team, dass ihre Veröffentlichung die Entwicklung besserer Computerwerkzeuge anregen wird, die biologisches Wissen nutzen können, um Fehler automatisch zu korrigieren. Beispielsweise könnte das Wissen, dass Mitochondrien meist in der Nähe des Beginns einer Verbindung zu finden sind, einem Computerprogramm helfen zu entscheiden, ob eine detektierte Verbindung echt oder ein Fehler ist. Trotz dieser Einschränkungen ist der Datensatz ein bedeutender Meilenstein. Es ist das erste Mal, dass das gesamte zentrale Nervensystem einer Larvenfliege in einem Stück rekonstruiert wurde, und es ist das zweite vollständig kartierte Gehirn einer weiblichen Erstinstar-Larve. Indem sie alle Rohbilder, die computergenerierten Karten und die Softwarewerkzeuge öffentlich zugänglich machen, stellt das Team der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine leistungsstarke neue Ressource zur Verfügung. Dies ermöglicht es anderen Wissenschaftlern, zu untersuchen, wie das Gehirn einer Larve ihren Körper steuert, wie sensorische Informationen die Bewegung einschränken und wie sich die Verdrahtung einzelner Fliegen voneinander unterscheidet, was den Weg für ein tieferes Verständnis der Evolution und Funktion neuronaler Schaltkreise ebnet.