Im menschlichen Gehirn stecken 86 Milliarden Neuronen, und keine Technik der Welt kann sie derzeit einzeln nachzeichnen. Die Hirnforschung arbeitet sich deshalb von unten hoch. Ein US-Forschungscampus hat jetzt zusammen mit Google Research und weiteren Institutionen das komplette Zentralnervensystem einer männlichen Fruchtfliege kartiert. Mit über 166.000 Neuronen und 125 Millionen synaptischen Verbindungen ist das die größte Hirnkarte nach Neuronenzahl, die es bisher gibt.
Wie aus Mikroskopbildern ein 3D-Nervensystem wird
Für so eine Karte zerlegen die Forscher ein Gehirn in dünne Schnitte und bilden jeden einzelnen unter dem Elektronenmikroskop ab, woraus Millionen von 2D-Aufnahmen entstehen. Googles KI-Systeme setzen diese flachen Bilder anschließend zu dreidimensionalen Nervenzellen zusammen. Ein Verfahren namens Flood-Filling-Networks startet an einem einzelnen Bildpunkt und sucht alle weiteren Pixel, die zur selben Zelle gehören.
Die Karte ist damit noch nicht fertig. Ein Team bei HHMI Janelia hat die Rekonstruktion von Hand geprüft und beschriftet, was Jahre dauert. Google will diesen Korrekturaufwand senken, unter anderem mit synthetisch erzeugten Neuronen im Trainingsmaterial. Ihr könnt den Datensatz über das quelloffene Werkzeug Neuroglancer ansehen und herunterladen.
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Ein Teil der Neuronen ist geschlechtsspezifisch
Der Datensatz umfasst 11.691 Neuronentypen und reicht vom Gehirn bis in den ventralen Nervenstrang, das Gegenstück zum Rückenmark. Damit lässt sich nachverfolgen, wie ein Reiz aus dem Auge bis zur Bewegung durchläuft. Weil das weibliche Fliegenhirn bereits kartiert ist, lassen sich beide Geschlechter vergleichen.
Die meisten Neuronen sind bei Männchen und Weibchen gleich gebaut. Eine Minderheit kommt nur bei einem Geschlecht vor, eine weitere Gruppe existiert bei beiden, dockt aber an unterschiedliche Nachbarzellen an. Drei begleitende Studien nutzen die Daten schon für Arbeiten zu Sehsystem, Geschmack und Sozialverhalten.
Als Nächstes Fisch und Maus
Google arbeitet inzwischen an Wirbeltieren mit. Ein Team der Columbia University hat unter Googles Beteiligung einen Teil des Hinterhirns eines Elefantenrüsselfischs kartiert und die Ergebnisse in Nature veröffentlicht.
Ein vollständiges Gehirn einer Zebrafischlarve und ein Ausschnitt eines Mausgehirns sind in Arbeit. Bis daraus Erkenntnisse über Alzheimer oder Depression werden, wie Google in Aussicht stellt, ist es noch ein sehr weiter Weg.
