Drosophila Melanogaster, auch bekannt als die Fruchtfliege, hat eine ziemlich beeindruckende Kuppe, weil sie so klein ist – ihr Gehirn enthält über 100.000 Neuronen oder Gehirnzellen. Zum ersten Mal können wir etwa 25.000 dieser Neuronen, verteilt auf 4.000 verschiedene Arten, und ihre Abermillionen von Verbindungen im Gehirn sehen.
Google und der Janelia Research Campus, Teil des Howard Hughes Medical Institute in Loudoun County, Virginia, haben die nach eigenen Angaben weltweit größte und detaillierteste Map eines Gehirns erstellt. Die Map, die als Schaltplan oder Connectome bezeichnet wird, sieht ein bisschen wie ein 3D-Stapel Silly String aus, der mit Hilfe von Neonfarben verschiedene Teile des Gehirns darstellt, die von den Wissenschaftlern untersucht werden sollen. Die Wissenschaftler können die Map sogar auseinanderziehen und Hirnregionen isolieren, die sich mit dem Geruchsinn, dem Sehvermögen oder der Navigationsfähigkeit einer Fliege befassen, indem sie sich in die Hirnverbindungen bohren, die sie gerne sehen würden.
„Das war eine große Wette auf etwas, das die Leute für fast unmöglich hielten“, sagte Viren Jain, ein Wissenschaftler bei Google und ehemaliger Laborleiter bei Janelia, in einer Presseerklärung. „Dies wird das erste Mal sein, dass wir wirklich einen nuancierten Blick auf die Organisation eines Nervensystems mit 100.000 Neuronen auf synaptischer Ebene werfen können.“
Die Forscher gaben dem fraglichen Glücksinsekt, einer weiblichen Fruchtfliege, den Spitznamen „Hemibrain“. Ohne Hochleistungsmikroskope, Datenanalyse und Fortschritte in der Bildgebungstechnologie sowie tiefgehende Lernalgorithmen hätte dieses Projekt zwei Jahrzehnte dauern können, so Gerry Rubin, Vizepräsident des Howard Hughes Medical Institute und Geschäftsführer von Janelia.
Jetzt kann die Map zur Untersuchung des Fliegenverhaltens verwendet werden, indem bestimmte Teile des Gehirns unter bestimmten Bedingungen analysiert werden. Die einzige Frage ist, ob die Kritiker, die sagen, dass Connectome nicht wirklich nützlich sind, jemals wieder auftauchen werden oder nicht. In der Vergangenheit haben diese Maps einen Rückschlag erlitten, weil ihre Zusammenstellung so lange dauerte und noch keinen großen Durchbruch gebracht hat.
Ein kurzer Blick hinter Connectom.
Bisher wurde nur für ein Tier das vollständige Connectom veröffentlicht: Caenorhabditis elegans, ein transparenter Spulwurm, der nur etwa einen Millimeter lang ist. In den 1970er Jahren begann ein Biologe namens Sydney Brenner, Teile des Wurms zu konservieren, dünne Scheiben seines Körpers aufzuschneiden und unter einem Elektronenmikroskop zu fotografieren. 1986 wurde eine fast vollständige Version des Connectoms veröffentlicht, in der fast alle 302 Neuronen des Wurms und 7.000 Verbindungen – Synapsen genannt – zwischen ihnen gezeigt werden.
Kurioserweise wurde dies per Hand realisiert. Zwei Jahrzehnte später beendete Dmitry Chklovskii, damals Gruppenleiter bei Janelia, die Arbeit, indem er eine detaillierte Version des Wurm-Connectome veröffentlichte. Zu dieser Zeit war es die bis dahin größte Map des Gehirns.
Seitdem haben Wissenschaftler daran gearbeitet, das Gehirn einer Ratte und natürlich auch der Fruchtfliege zu mappen. Sebastian Seung, ein bekannter Wissenschaftler des Princeton Neuroscience Institute, ist ein ausgesprochener Befürworter des Connectomes und hielt 2010 sogar einen TED-Vortrag zu diesem Thema.
Dennoch bleibt die Kritik bestehen. Es wäre eine gewaltige Anstrengung, ein Konnektiv in der Größenordnung des menschlichen Gehirns zu schaffen, das etwa 86 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Synapsen enthält. In einer Debatte mit Seung im Jahr 2012 wies Anthony Movshon, ein Neurowissenschaftler an der New Yorker Universität, darauf hin, dass er nicht glaubt, dass das C. Elegans-Connectome zu wichtigen neuen Erkenntnissen über das Verhalten des Wurms geführt hat:
„Ich denke, es ist fair zu sagen … dass unser Verständnis des Wurms nicht wesentlich verbessert wurde, indem uns dieses Verbindungsstück zur Verfügung steht. Wir haben kein umfassendes Modell dafür, wie das Nervensystem des Wurms das Verhalten tatsächlich erzeugt. Was wir haben, ist eine Art Bett, auf dem wir Experimente aufbauen können – und viele Menschen haben viele elegante Experimente auf diesem Bett aufgebaut. Aber diese Verbindung allein hat noch nichts erklärt.“
Dies scheint eine der Situationen zu sein, in denen sich die Technologie irgendwie schneller entwickelt hat als die Wissenschaft, so dass es schwer zu sagen ist, ob diese Verbindungen für die Suche nach den nächsten großen Wahrheiten über das Gehirn von zentraler Bedeutung sein werden oder nicht.
Um mit dem Mapping zu beginnen, verwendeten die Forscher eine fünf Tage alte weibliche Fruchtfliege. Anschließend verwendeten sie eine spezielle Vorrichtung zur Mikrodissektion des zentralen Nervensystems der Fliege, die sie in ein Exopidharz mit der Bezeichnung Epon einbetteten. Das Ergebnis war ein vollständig gefärbtes Fliegerhirn mit noch dunkler gefärbten Synapsen, was es einer Maschine erleichterte, diese Verbindungen zu erkennen. Die Hirnschritte wurden anschließend in dünne Stücke mit einer Dicke von nur 20 Mikron geschnitten.
Die Forscher verwendeten acht Mikroskope, die ursprünglich für die Erfassung von Daten über einen Zeitraum von Minuten oder Stunden gedacht waren und konfigurierten sie so, dass sie über Monate oder Jahre hinweg kontinuerlich laufen. Sie verwendeten eine Technik mit der Bezeichnung Focused-Ion-Beam-Rasterelektronenmikroskopie, um die Feinheiten der Verbindungen des winzigen Gehirns zu erfassen – es ist nur etwa so groß wie ein Mohnsamen.
Bei dieser Methode verwendet das Mikroskop einen fokussierten Ionenstrahl, um kleine Teile des Hirngewebes sanft wegzublasen, bevor es anschließend Gallium-Ionen auf das Gewebe schießt, um es auf atomarer Ebene zu polieren. Dieses Mikroskop nimmt ein Bild des Gewebes auf, poliert eine weitere Schicht ab und fährt anschließend so fort, bis die gesamte Probe abgebildert wurde. Während das echte Fliegerhirn langsam auseinander geschoren wird, entsteht eine digitale Version.
Um all diese Bilder zu speichern, würde man etwa 100 Terabyte Platz benötigen, d.h. ungefähr die gleiche Menge an Platz, die Ihr Computer für 100 Millionen Bilder benötigen würde. Also entwickelten die Forscher Computeralgorithmen, um die Bilder zusammenzufügen und so den Prozess zu automatisieren, der früher von Hand durchgeführt wurde, um das Gehirn des Wurms abzubilden.
Der Trick bestand darin, einem Computer beizubringen, wie man die Bilder in kleinere Stücke zerlegt und jedes Teil beschriftet. Dieser Prozess, der als Bildsegmentierung bezeichnet wird, ist schon seit einiger Zeit ein wichtiges Thema bei Google, aber das Unterrichten eines Algorithmus zur Suche nach Neuronen in Mikroskopbildern erfordert eine große Menge an Trainingsdaten. Erschwerend kommt hinzu, dass die Neuronen ihre Ranken über weite Teile des Gehirns spreizen, Verbindungen in vielen Regionen herstellen und schließlich viele Bilder überspannen.
Letztendlich verwendeten die Wissenschaftler ein so genanntes Flood-Filling Netzwerk, das die Ranken der Neuronen von einem Ende zum anderen verfolgen konnte, während es sich durch die Bilder schlängelte. Auf der Grundlage früherer Erfahrungen kann der Algorithmus damit beginnen, Prognosen über die Form der Ranken zu machen und darüber, wohin sie führen könnten.
Die Forscher schätzten, dass Googles Hilfe bei der Berechnung den Prozess um das Zehnfache beschleunigt hat. Allerdings wurden immer noch menschliches Korrekturlesen benötigt, da die Algorithmen nicht perfekt sind. „Es ist immer noch ein großer manueller Aufwand erforderlich“, sagte Ruchi Parekh, der ein Team von Neuronen-Tracern und Korrekturlesern leitet, in einer Erklärung.
Die Forscher arbeiten nun daran, den vollständigen Connector zu vervollständigen, während sie weiterhin lernen, den Sinn der gesammelten Bilder zu verstehen. Ihr Ziel? Etwas Neues über die Funktionsweise des Fliegerhirns in der nahen Zukunft zu erfahren. In der Zwischenzeit sind diese Hochleistungsmikroskope immer noch hart am Werk und sammeln Bilder aus dem Gehirn einer männlichen Fliege. Diesmal wollen die Forscher das gesamte Nervensystem der Fliege erfassen – nicht nur das, was sich im Gehirn befindet. Wenn alles nach Plan verläuft, sollen die Bilder bis Ende dieses Jahres gescannt werden.
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