Die erste vollständige Karte aller Neuronen im Gehirn wurde enthüllt

Stellen Sie sich vor, Sie starren auf die komplexe und schöne Karte einer ganzen Stadt, aber die Stadt ist eigentlich ein Gehirn. Klingt großartig, nicht wahr? Nun haben Wissenschaftler dies nun Wirklichkeit werden lassen.

Experten haben das allererste Verdrahtungsdiagramm oder „neuronale Netzwerk“ aller Neuronen im Gehirn eines Erwachsenen sowie der 50 Millionen Verbindungen zwischen ihnen erstellt und damit einen Meilenstein auf dem Gebiet der Neurowissenschaften markiert.

Vollständiger Schaltplan für das Gehirn

Dieses Projekt wurde dank des FlyWire-Konsortiums ermöglicht, einer großen internationalen Zusammenarbeit, an der Wissenschaftler aus der ganzen Welt beteiligt sind MRC-Labor für Molekularbiologie An der Cambridge, der Princeton University, der University of Vermont und der Princeton University Universität Cambridge.

Forschung, die in zwei Artikeln in einer Zeitschrift veröffentlicht wird NaturBietet das erste vollständige Konnektivitätsdiagramm aller 139.255 Neuronen im Gehirn einer erwachsenen Fliege – eines Tieres, das laufen und sehen kann.

Frühere Studien haben kleinere Gehirnsysteme kartiert, beispielsweise die Fruchtfliegenlarve, die 3.016 Neuronen enthält, oder den Nematodenwurm, der 302 Neuronen enthält.

Die aktuelle Studie geht jedoch neue Wege, indem sie eine vollständige neuronale Karte eines komplexeren Organismus liefert.

Menschliche Gehirne versus Fliegengehirne

Die Kartierung jedes Neurons im Gehirn erwachsener Fruchtfliegen ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Funktionsweise des Gehirns, einschließlich unseres eigenen.

Die Fruchtfliege verfügt über etwa 140.000 Neuronen, eine kleine Zahl im Vergleich zu den 86 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn, was die Untersuchung erheblich erleichtert.

Wissenschaftler können Fruchtfliegen schnell züchten und verändern, wodurch sie die Genetik manipulieren und sehen können, wie sich Veränderungen auf neuronale Schaltkreise und Verhalten auswirken.

Diese Einfachheit hilft Forschern, die Grundprinzipien der Gehirnfunktion zu entdecken, ohne sich in zu viel Komplexität zu verlieren.

Brain Maps geben Einblicke in das menschliche Gehirn

Interessanterweise sind viele biologische Prozesse bei Fruchtfliegen denen beim Menschen sehr ähnlich. Gene und Wege, die die Gehirnentwicklung, Neuronenverbindungen und das Lernen steuern, sind häufig artenübergreifend konserviert.

Durch die Kartierung des Fruchtfliegengehirns können Wissenschaftler lernen, wie diese Prozesse in einem einfacheren System funktionieren, und diese Erkenntnisse dann auf komplexere Gehirne anwenden.

Darüber hinaus offenbart das Verständnis, wie Neuronen in Fliegen kommunizieren, allgemeine Organisations- und Verhaltensmuster neuronaler Schaltkreise, die uns auch dabei helfen können, menschliches Verhalten und kognitive Funktionen zu verstehen.

Schließlich haben die Werkzeuge und Techniken, die zur Kartierung des Drosophila-Gehirns entwickelt wurden, den Weg für Durchbrüche in der neurowissenschaftlichen Forschung geebnet. Innovationen in der Bildgebung, genetischen Manipulation und Datenanalyse aus Drosophila-Studien können für die Untersuchung komplexerer Gehirne, einschließlich unseres eigenen, angepasst werden.

Erkenntnisse aus Fruchtfliegen könnten auch dabei helfen, neurologische Erkrankungen und Entwicklungsstörungen zu modellieren, was zu möglichen Behandlungen für den Menschen führen könnte.

Laufende Forschung in den Neurowissenschaften

Die Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die Struktur und Funktion des Gehirns und stellen einen wichtigen Vergleich mit der laufenden Forschung in den Neurowissenschaften dar.

„Wenn wir verstehen wollen, wie das Gehirn funktioniert, brauchen wir ein mechanistisches Verständnis dafür, wie alle Neuronen zusammenpassen und es uns ermöglichen, zu denken. Bei den meisten Gehirnen haben wir keine Ahnung, wie diese Netzwerke funktionieren.“

Eine detaillierte Karte des Fliegengehirns könnte viele dieser Fragen beantworten und die Komplexität neuronaler Schaltkreise offenbaren.

Ähnlichkeiten in der Gehirnverkabelung

Eines der bemerkenswertesten Ergebnisse der Studie ist die starke Ähnlichkeit der Verbindungen zwischen der aktuellen Karte und früheren, kleineren Projekten.

Dies hat zu der Schlussfolgerung geführt, dass einzelne Gehirne inhärente Ähnlichkeiten in ihrer Verkabelung aufweisen, im Gegensatz zur Annahme, dass jedes Gehirn eine einzigartige Struktur ist.

Eine Brain-Mapping-Reise

Der Weg zu diesem Kunststück bestand darin, ein ganzes Fliegenhirn, das weniger als einen Millimeter breit ist, in 7.000 dünne Scheiben zu schneiden.

Diese Schnitte wurden dann sorgfältig mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop untersucht, um die Formen von etwa 140.000 Neuronen und die 50 Millionen Verbindungen zwischen ihnen zu extrahieren.

Die Kraft der künstlichen Intelligenz

Die Aufgabe, diese riesigen Datenmengen zu analysieren, wird durch maschinelles Lernen ermöglicht und zeigt das Potenzial der KI-Technologie, die Neurowissenschaften zu revolutionieren.

Die Sicherstellung der Datengenauigkeit erfordert schätzungsweise 33 Jahre Korrekturlesearbeit. Trotz der Herausforderungen haben die Ergebnisse dieses rigorosen Unterfangens den Weg für zukünftige Entdeckungen in der Neurowissenschaft geebnet.

Über die bloße Herstellung neuronaler Verbindungen hinaus berücksichtigten die Forscher auch viele Details des Schaltplans, beispielsweise die Klassifizierung von mehr als 8.000 Zelltypen im Gehirn.

„Dieser Datensatz ist ein bisschen wie Google Maps, aber für das Gehirn: Das anfängliche Konnektivitätsdiagramm zwischen Neuronen ist so, als würde man wissen, welche Strukturen auf Satellitenbildern der Erde welchen Straßen und Gebäuden entsprechen“, erklärte Dr. Philipp Schlegel, Erstautor eines davon das Studium. Studien.

Simulation von Gehirnfunktionen

Die Arbeit der Forscher geht über die reine Kartierung hinaus. Sie verwendeten auch KI-Bildscantechnologie, um vorherzusagen, ob jede Synapse hemmend oder erregend war, ein wichtiger Aspekt der digitalen Simulation des Gehirns.

„Anhand unserer Daten, die während unserer Arbeit online geteilt wurden, haben andere Wissenschaftler bereits damit begonnen, nachzuahmen, wie das Fliegengehirn auf die Außenwelt reagiert“, sagte Dr. Jeffress.

„Dies ist ein wichtiger Anfang, aber wir müssen viele verschiedene Arten von Daten sammeln, um eine zuverlässige Simulation der Funktionsweise des Gehirns zu erstellen.“

Zukünftige Forschungsrichtungen

Diese Forschung hat zweifellos unser Verständnis des Gehirns revolutioniert, aber die Reise ist noch lange nicht zu Ende. Zukünftige Studien werden im weiteren Verlauf die Unterschiede in der neuronalen Architektur zwischen den Gehirnen männlicher und weiblicher Fliegen untersuchen.

„Die Vollständigkeit unseres Schaltplans hat große Vorteile für die Hirnforschung und ermöglicht viele Arten von Studien, die bisher mit Schaltplänen von Teilen des Fliegenhirns nicht möglich waren“, stellten die Forscher fest.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

—–

Gefällt mir, was ich gelesen habe? Abonnieren Sie unseren Newsletter, um spannende Artikel, exklusive Inhalte und neueste Updates zu erhalten.

Besuchen Sie uns bei EarthSnap, einer kostenlosen App von Eric Ralls und Earth.com.

—–