Komplette Landkarte des Nervensystems der Fruchtfliege erstellt

Wichtige Fakten Das vollständige Connectom des zentralen Nervensystems: Zum ersten Mal können Forscher den gesamten Informationsfluss biologischer Signale zur physischen motorischen Aktion über ein intaktes, einzelnes Nervensystem eines erwachsenen Wirbellosen verfolgen.

Brain and Nerve Cord (BANC)-Datensatz: Im Lee Lab mittels fortschrittlicher Elektronenmikroskopie erfasst, verknüpfte das Projekt Millionen hochauflösender Bilder dünner Schnitten eines einzelnen Fluges mithilfe maßgeschneiderter KI-Tools für Ausrichtung und Rekonstruktion.

Verteiltes Steuerungsparadigma: Statt auf eine zentrale Kommandozentrale im Fliegenhirn zu vertrauen, die physische Aufgaben diktiert, zeigte die strukturelle Analyse, dass Bewegung auf lokaler Ebene gesteuert wird.

Was die Studie zeigt

Neuronale Schaltkreise in einzelnen Beinen übernehmen ihre eigenen lokalen Mechanismen und vernetzen sich lediglich mit benachbarten Gliedmaßen, um komplexe Gangarten wie das Laufen zu koordinieren.

Das Erbe: Das Projekt baut auf der 2024 vom FlyWire-Konsortium erstellten Hirnkarte auf, die und Sebastian Seung geleitet wurde, und verbindet erfolgreich die zerebralen Netzwerke mit den motorischen Systemen des Nervenstrangs, die die Gliedmaßen steuern.

Verkörperung des Netzwerks bei Synapsenauflösung: Obwohl die Elektronenmikroskopie-Scans spezifisch das zentrale Nervensystem adressierten, nutzte das Team identifizierbare Neuronen und historische Literatur, um Synapsen direkt bis hin zu Sinnesorganen und physischen Gliedmaßen zu kartieren und damit effektiv ein „verkörpertes" Konnektom zu erstellen.

Technik und Auswirkungen

Eine Open-Source-Forschungsgrundlage: Teilweise finanziert durch die US-BRAIN-Initiative, das NIH und die NSF, wurde das vollständig interaktive Datensatz frei online zugänglich gemacht, um eine globale Basislinie – analog zum Human Genome Project – für zukünftige computergestützte Neurowissenschaften und vergleichende Säugetierstudien bereitzustellen.

Anwendungen der nächsten Generation künstlicher Intelligenz: Jenseits der Biologie bietet die dezentrale Verkabelungsarchitektur des Konnektoms konkrete mathematische Prinzipien, um fortgeschrittene KI-Agenten und Robotik dabei zu unterstützen, komplexe virtuelle und physische Umgebungen zu navigieren.

In einem ersten Mal hat ein großes internationales Team, das Harvard Medical School und der Princeton University geleitet wird, ein vollständiges Schaltbild aller Verbindungen zwischen den Neuronen im Zentralnervensystem eines erwachsenen Fruchtfliegen veröffentlicht.

Was die Studie zeigt

Diese Arbeit ermöglicht es Forschern, erstmals zu untersuchen, wie Gehirn und Körper zusammenwirken, um komplexe Verhaltensweisen wie Laufen und Fliegen auszuführen.

Zudem eröffnet sie tiefere Einblicke in die grundlegenden Prinzipien der Funktionsweise, wie Neuronen im Gehirn der Fruchtfliehe über das äquivalente Rückenmark mit denen im Körper verbunden sind. Quelle: Das Connectome zeigt, wie Neuronen im Gehirn der Fruchtfliehe über das äquivalente Rückenmark mit denen im Körper verbunden sind.

Tyler Sloan „Zum ersten Mal können wir alle Neuronen und ihre Verbindungen als eine vollständige Einheit betrachten und fragen: ‚Was lernen wir daraus?'", sagte Rachel Wilson, eine der leitenden Autorinnen der Studie, die Joseph B. Martin ist Professor für Grundlagenforschung im Bereich der Neurobiologie am Blavatnik-Institut der HMS.

Technik und Auswirkungen

Das hochdetaillierte Diagramm der neuronalen Verbindungen – ein sogenanntes Connectome – ergänzt ein zuvor veröffentlichtes Connectome des Fliegenhirns um eine Karte des nervösen Systems der Fruchtfliege, genauer gesagt des Nervenstrangs, der dem menschlichen Rückenmark entspricht. „Es ist wirklich entscheidend, ein Connectome des zentralen Nervensystems zu haben, das so vollständig wie möglich ist, damit wir Gehirn und Körper miteinander verknüpfen und das Verhalten ganzheitlich betrachten können", sagte Wei-Chung Allen Lee, Mitautor der Studie, Associate Professor für Neurobiologie an der HMS und Professor für Neurologie am Boston Children's Hospital.

Bei der Analyse des Connectoms stellten die Forscher fest, dass viele Verhaltensweisen der Fruchtfliege nicht Gehirn gesteuert werden, sondern den beteiligten Körperteilen. Das gesamte Connectome ist nun frei online verfügbar, sodass andere Wissenschaftler es nutzen können, um die Neurowissenschaftsforschung voranzutreiben. Die am 8.

Juni in Nature veröffentlichte Arbeit wurde teilweise durch US-Bundeszuschüsse unterstützt, darunter die BRAIN Initiative (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies), die National Institutes of Health und die National Science Foundation.

Technik und Auswirkungen

Wie Neuronen im Gehirn und im Körper miteinander verbunden sind und zusammenwirken, um Verhalten zu erzeugen, stellt eine wichtige offene Frage der Neurowissenschaften dar. Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster bietet ein effektives Modell zur Untersuchung dieser Frage.

Fruchtfliegen lassen sich leicht züchten und im Labor halten; obwohl sie ein vergleichsweise einfaches Nervensystem mit etwa 160.000 Neuronen besitzen, zeigen sie komplexes Verhalten wie Navigation, soziale Interaktion, Lernen und die Reaktion auf sensorische Reize.

Zudem verfügen sie über das, was Lee als ein unglaublich ausgefeiltes genetisches Werkzeugkasten beschreibt: Forscher können so die Aktivität einzelner Neuronen oder änglich machen, steuern und aufzeichnen.

Was die Studie zeigt

Im Jahr 2024 veröffentlichte das FlyWire-Konsortium – geleitet Seung an der Princeton University, die auch Mitautoren der neuen Studie sind – ein vollständiges Konnektom des Gehirns einer Fruchtfliege.

Gleichzeitig entwickelten Lee und seine Kollegen ein Konnektom des Nervenstrangs einer Fruchtfliege, der die Beine, Flügel und andere Anhänge steuert sowie sensorische Informationen verarbeitet. „Die Konnektome jeweils für sich genommen nützlich, doch solange man sie nicht verbinden kann, ist es schwierig zu verstehen, wie Informationen zwischen Gehirn und Körper fließen", sagte Ko-Erstautorin Helen Yang, eine Forschungsfellowin für Neurobiologie im Wilson-Labor.

Ko-Erstautor Alexander Bates, ebenfalls eine Forschungsfellowin für Neurobiologie im Wilson-Labor, ergänzte, dass zwar das Gehirn die meisten Neuronen enthält, die Neuronen im Nervenstrang jedoch „zu den nützlichsten" gehören, da sie an Prozessen wie Sinneswahrnehmung und Bewegung beteiligt sind und einfacher zu interpretieren sind.

Was die Studie zeigt

Das Team, sich auf den Datensatz des Gehirns und des Neuralröckchens (BANC) zu konzentrieren, der im Lee Lab abgebildet wurde, so Co-Seniore Autor Murthy, Karol- und Marnie Marcin-Professorin für Neurowissenschaften an der Princeton University und Direktorin des Princeton Neuroscience Institute (PNI). „Das neue Connectom stellt einen bedeutenden Fortschritt für das Feld dar, da es ermöglicht zu verstehen, wie Schaltkreise im Gehirn Rückmeldung vom Körper erhalten und dessen Aktionen steuern", sagte sie. „Zum ersten Mal können wir den Informationsfluss über ein ganzes Nervensystem verfolgen", fügte Co-Autor Arie Matsliah vom PNI hinzu.

Um das Connectom zu erstellen, erstellte das Team Tausende dünner, serieller Schnitte eines einzelnen Fruchtfliegenexemplars, die sie mit Elektronenmikroskopie abbildeten, um Millionen neuronalen Verbindungen zu erzeugen. Anschließend nutzten sie KI-Tools, um die Bilder auszurichten und zu einem zusammenhängenden 3D-Modell zu verknüpfen.

Das Konnektom zeigt, wie sich jedes einzelne Neuron im Gehirn und im Nervenkord auf Synapenebene mit allen anderen Neuronen verbindet.

Was die Studie zeigt

Obwohl die Karte den gesamten Körper des Flies nicht abdeckt, konnten das Team mithilfe identifizierbarer Neuronen und der wissenschaftlichen Literatur die Neuronen im Zentralnervensystem mit denen in vielen seiner Gliedmaßen und Sinnesorgane verknüpfen und so das Konnektom effektiv „verkörpern".

Lee erklärte, dass Forscher das Konnektom nutzen können, um neue Hypothesen zu formulieren, die im Labor getestet werden können. Er vergleicht dies mit dem Zugang zu den umfassenden Informationen Planung einer neuen Route. „Das Konnektom hat uns gezeigt, dass die meisten unserer Hypothesen zu einfach sind.

Jetzt können wir komplexere Hypothesen entwickeln und Experimente durchführen, um diese zu testen", sagte Lee. Die Autoren haben das Konnektom bereits genutzt, um die motorische Kontrolle zu erforschen – speziell, wie ein Fliege seine Beine und andere Körperteile bewegt.

Was die Studie zeigt

Eine lang etablierte Vorstellung in der Neurowissenschaft besagt, dass ein zentraler Steuerungsmechanismus im Gehirn dafür verantwortlich ist, Entscheidungen über die ührten Aktionen zu treffen. Dies war jedoch nicht das Ergebnis ihrer Studie.

Stattdessen stellten sie fest, dass die motorische Kontrolle bei der Fruchtfliege überwiegend auf lokaler Ebene stattfindet – beispielsweise wird die Bewegung eines Flügels primär durch die neuronalen Schaltkreise dieses spezifischen Flügels gesteuert.

Die lokalen Schaltkreise eines Flügels kommunizieren dann mit den Schaltkreisen anderer Flügel, um komplexe, koordinierte Bewegungen wie das Fliegen auszuführen. Dasselbe gilt für die neuronalen Schaltkreise der Flügel, des Mundes und anderer Körperteile der Fliege.

Was die Studie zeigt

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass diese motorischen Schaltkreise mit anderen Arten – etwa mit denen des visuellen oder endokrinen Systems –, die zusätzliche Informationen liefern, die zur Gestaltung des Verhaltens notwendig sind. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Steuerung und in lokalen Modulen stattfindet, die auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden und zusammenarbeiten", sagte Bates.

Die Forscher sehen unzählige zukünftige Forschungsrichtungen, die sich auf ihr Connectom stützen. Yang zieht eine Analogie zum Human Genome Project, einer weiteren groß angelegten, Open-Source-Ressource, die bereits vielfältige Anwendungen gefunden hat.

In naher Zukunft planen die Forscher, dem Connectom weitere Informationen hinzuzufügen, darunter auch zu Neuropeptiden, den kleinen, proteinähnlichen Molekülen, die Neuronen zur Kommunikation nutzen.

Was die Studie zeigt

Erkenntnisse aus dem Connectom könnten grundlegende Prinzipien enthüllen, nach denen Nervensysteme über verschiedene Arten hinweg funktionieren, einschließlich beim Menschen. Viele neurowissenschaftliche Entdeckungen an Fruchtfliegen haben sich, wie Bates sagte, Säugetiere übertragen lassen, etwa in den Bereichen Navigation, Geruchssinn und Gedächtnis.

Ein weiteres Ziel ist es, „die vollständige Kartierung Organismen auszudehnen", so Matsliah. Fortschritte in den Bereichen künstliche Intelligenz, Rechenleistung und offene kollaborative Wissenschaft machen es einfacher, solche Arbeiten durchzuführen, sagte er.

Eine große Frage, der sich die Forscher einig sind, ist, ob die dezentrale Steuerung neuronaler Schaltkreise, die sie bei Fliegen beobachten, auch bei anderen Arten vorkommt – etwas, das Lee derzeit an Mäusen untersucht. „Ich wäre schockiert, wenn dies einzigartig für die Fliege wäre", sagte Yang. „Wir verfügen bei anderen Tieren nicht über diese Auflösung, doch wir wissen, dass sie viele solcher lokaler Schaltkreise besitzen." Die Arbeit könnte zudem Anwendungen in der künstlichen Intelligenz finden.

Technik und Auswirkungen

Beispielsweise liefert das Konnektom konkrete biologische Informationen, die das Design künstlicher Agenten beeinflussen könnten, die virtuelle Welten navigieren – Systeme, die zunehmend genutzt werden, um Intelligenz zu erforschen und KI zu verfeinern und zu trainieren. „Etwas, das mich immer fasziniert, ist, dass diese winzige Fliege eine enorme Leistung vollbringt; selbst unsere besten KI-Agenten und Roboter können nicht alles tun, was eine Fliege kann", sagte Yang. „Es gibt möglicherweise Lehren für die KI in der Organisation des Nervensystems." Jasper S.

Phelps und Minsu Kim sind ebenfalls Co-Erstautoren der Studie. Jan Drugowitsch ist Co-Hauptautor. Zu den weiteren Autoren zählen Zaki Ajabi, Eric Perlman, Kevin M. Delgado, Mohammed Abdal Monium Osman, Christopher K. Salmon, Jay Gager, Benjamin Silverman, Sophia Renauld, Farzaan Salman, Janki Patel, Matthew F. Collie, Jingxuan Fan, Diego A.

Pacheco, Yunzhi Zhao, Wenyi Zhang, Laia Serratosa Capdevila, Ruairí J.V. Roberts, Eva J. Munnelly, Nina Griggs, Helen Langley, Borja Moya-Llamas, Zuoyu Zhang, Ryan T. Maloney, Szi-chieh Yu, Amy R. Sterling, Marissa Sorek, Krzysztof Kruk, Nikitas Serafetinidis, Serene Dhawan, Finja Klemm, Paul Brooks, Ellen Lesser, Jessica M. Jones, Sara E.

Technik und Auswirkungen

Pierce-Lundgren, Su-Yee Lee, Yichen Luo, Andrew P. Cook, Theresa H. McKim, Dimitrios Stasi Giakoumas, Benjamin Gorko, Emily C. Kophs, Tjalda Falt, Alexa M. Negron-Morales, Austin Burke, James Hebditch, Kyle P. Willie, Ryan Willie, Sergiy Popovych, Nico Kemnitz, Dodam Ih, Kisuk Lee, Ran Lu, Akhilesh Halageri, J.

Alexander Bae, Ben Jourdan, Gregory Schwartzman, Damian D. Demarest, Emily, Behnke, Doug, Bland, Anne, Kristiansen, Jaime, Skelton, Tom, Stocks, Dustin, Garner, Anthony, Hernandez, Sandeep, Kumar, das BANC-FlyWire-Konsortium, Kevin C. Daly, Sven Dorkenwald, Forrest Collman, Marie P. Suver, Lisa M. Fenk, Michael J. Pankratz, Zepeng Yao, Stephen J.

Huston, Tomke Stürner, Gregory S.X.E. Jefferis, Katharina Eichler, Andrew M. Seeds, Stefanie Hampel, Sweta Agrawal, Tatsuo S. Okubo, Meet Zandawala, Thomas Macrina, Diane-Yayra Adjavon, Jan Funke, John C. Tuthill, Anthony Azevedo und Benjamin L. de Bivort.

Einordnung fuer Autofahrer

Funding: Die Finanzierung wurde bereitgestellt durch das National Institutes of Health (Projektförderungen R01NS121874; RF1MH117808; U19NS118246; U24NS126935; RF1MH117815; K99NS129759; R00NS117657; R01NS102333; RF1NS128785; R01NS140174; UM1NS132253; U24NS13992; RF1MH128840; R01NS121911; T32GM144273; R01DK139131; R25NS080687), eine Sir Henry Wellcome Postdoctoral Fellowship (222782/Z/21/Z), einen Smith Family Foundation Odyssey Award, einen Harvard/MIT Joint Research Grant, eine HHMI Life Sciences Research Foundation Postdoctoral Fellowship (PJ100000343), einen New York Stem Cell Foundation Robertson Neuroscience Investigator Award, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (ZA1296/1-1; EXC2151-390873048; PA787/7-3; PA787/9-3), das Nevada IDeA Network of Biomedical Research Excellence (GM103440), die National Science Foundation (2127379; 2014862), die Japan Society for the Promotion of Science (KAKENHI 25K00370), die Japan Science and Technology Agency (ASPIRE JPMJAP2302; CRONOS JPMJCS24K2), eine HHMI Gilliam Fellowship (GT15790), die Max Planck Society, die Shanahan Family Foundation, einen Kempner Graduate Fellowship, die Medical Research Council (MC_EX_MR/T046279/1), den Alice and Joseph Brooks Fund sowie die Beijing Natural Science Foundation (IS23084).

Die Autoren geben zudem an, dass die Arbeit vom O2 High-Performance Compute Cluster profitierte, der an der HMS unterstützt wird. Die Harvard University hat im Namen der Erfinder, darunter W. Lee, eine Patentanmeldung für GridTape (WO2017184621A1) eingereicht und Lizenzvereinbarungen mit interessierten Partnern ausgehandelt.

Macrina, Popovych, Kemnitz, Ih, K. Lee, Lu, Halageri, Bae und Seung erklären ein finanzielles Interesse an Zetta AI. Seung erklärt ein finanzielles Interesse an Memazing, Inc. Capdevila, Roberts, Langley, Munnelly, Griggs und Moya-Llamas erklären ein finanzielles Interesse an Aelysia Ltd. Perlman ist Gesellschafter der Yikes LLC.

Wichtige Fragen beantwortet: A: Eine Hirnkarte

Wichtige Fragen beantwortet: A: Eine Hirnkarte allein kann nicht erklären, wie ein Organismus sich physisch im Raum bewegt. Der Nervenkord fungiert als Rückgrat der Fliege und verarbeitet Sinnesreize direkt sowie steuert die Gliedmaßen.

Die Verbindung zwischen Gehirn und Nervenstrang ermöglicht Wissenschaftlern erstmals, den vollständigen Informationsfluss körperlichen Aktion nachzuvollziehen. Durch eine hochgradig effiziente, dezentrale Architektur.

Die wegweisende Studie zeigte, dass statt eines zentralen Gehirn-Hubs als Hauptsteuerungseinheit die Fliege unabhängige, lokale neuronale Module in ihren Gliedmaßen einsetzt. Der Schaltkreis in einem Bein steuert die Bewegung dieses Beines und kommuniziert direkt mit benachbarten Beinen, um komplexe Verhaltensweisen zu koordinieren.

Fruchtfliegen führen routinemäßig komplexe Verhaltensweisen aus,

Fruchtfliegen führen routinemäßig komplexe Verhaltensweisen aus, wie Lernen, Navigation und das Ausweichen – Aufgaben, die moderne Robotik noch nicht effizient nachbilden kann.

Das Connectom liefert einen konkreten biologischen Bauplan, der zeigt, wie Tausende einfacher Neuronen zu dezentralen Netzwerken zusammengefügt werden und Lehren darüber bieten, wie KI-Agenten mit geringerem Rechenaufwand trainiert werden können. Redaktionelle Hinweise: Dieser Artikel wurde News bearbeitet. Zusätzlicher Kontext wurde ügt.

Über diese Neuigkeiten aus der Neurowissenschaftsforschung Autorin: Katie Brace Quelle: Harvard Kontakt: Katie Brace – Harvard Bild: Das Bild wird Tyler Sloan zugeschrieben Ursprüngliche Forschung: Zugangsbeschränkt. „Verteilte Kontrollkreise in einem Gehirn-Rückenmark-Connectom", Jasper S. Phelps, Minsu Kim, Helen H.

Technik und Auswirkungen

Yang, Arie Matsliah, Zaki Ajabi, Eric Perlman, Kevin M. Delgado, Mohammed Abdal Monium Osman, Christopher K. Salmon, Jay Gager, Benjamin Silverman, Sophia Renauld, Farzaan Salman, Janki Patel, Matthew F. Collie, Jingxuan Fan, Diego A. Pacheco, Yunzhi Zhao, Wenyi Zhang, Laia Serratosa Capdevila, Ruairí J. V. Roberts, Eva J.

Munnelly, Nina Griggs, Helen Langley, Borja Moya-Llamas, Zuoyu Zhang, Ryan T. Maloney, Szi-chieh Yu, Amy R. Sterling, Marissa Sorek, Krzysztof Kruk, Nikitas Serafetinidis, Serene Dhawan, Finja Klemm, Paul Brooks, Ellen Lesser, Jessica M. Jones, Sara E. Pierce-Lundgren, Su-Yee Lee, Yichen Luo, Andrew P. Cook, Theresa H.

McKim, Dimitrios Stasi, Giakoumas, Benjamin Gorko, Justin Ellis-Joyce, Jiayi Zhang, Emily C. Kophs, Tjalda Falt, Alexa M. Negron-Morales, Austin Burke, James Hebditch, Kyle P. Willie, Ryan Willie, Sergiy Popovych, Nico Kemnitz, Dodam Ih, Kisuk Lee, Ran Lu, Akhilesh Halageri, J. Alexander Bae, Ben Jourdan, Gregory Schwartzman, Damian D.

Technik und Auswirkungen

Demarest, Emily Behnke, Doug Bland, Anne Kristiansen, Jaime Skelton, Tom Stocks, Dustin Garner, Anthony Hernandez, Sandeep Kumar, das BANC-FlyWire-Konsortium, Kevin C. Daly, Sven Dorkenwald, Forrest Collman, Marie P. Suver, Lisa M. Fenk, Michael J. Pankratz, Zepeng Yao, Fei Wang, Stephen J. Huston, Tomke Stürner, Gregory S. X. E.

Jefferis, Katharina Eichler, Andrew M. Seeds, Stefanie Hampel, Sweta Agrawal, Tatsuo S. Okubo, Meet Zandawala, Thomas Macrina, Diane-Yayra Adjavon, Jan Funke, John C. Tuthill, Anthony Azevedo, H. Sebastian Seung, Benjamin L. de Bivort, Mala Murthy, Jan Drugowitsch, Rachel I. Wilson und Wei-Chung Allen Lee.

Nature DOI:10.1038/s41586-026-10735-w Verteilte Kontrollkreise über ein Gehirn-und-Rückenmark-Connectom Genome haben die molekulare Genetik revolutioniert; ebenso transformieren Connectome (Karten ) die Neurowissenschaften. Bisher verfügen nur Würmer, Seegurken und Kammquallen über vollständige Connectome (10–10 Synapsen).

Was die Studie zeigt

Im Gegensatz dazu ist die Fruchtfliege komplexer (10 synaptische Verbindungen), besitzt ein Gehirn, das Lernen und räumliches Gedächtnis unterstützt, und verfügt über einen komplexen ventralen Nervenstrang, der dem Wirbeltierre Rückenmark entspricht.

Hier stellen wir das erste dicht rekonstruierte adulte Fliegen-Connectom vor, das Gehirn und ventralen Nervenstrang vereint, und nutzen diese Ressource, um Prinzipien der neuronalen Kontrolle zu untersuchen.

Wir zeigen, dass Effektorneuronen (Motorneuronen, endokrine Zellen und efferente Neuronen, die das Innereorgane ansteuern) primär durch sensorische Neuronen im selben Körperteil beeinflusst werden, wodurch lokale Rückkopplungsschleifen entstehen.

Was die Studie zeigt

Diese lokalen Schleifen werden durch Fernverbindungen verknüpft, die aufsteigende und absteigende Neuronen umfassen, welche in verhaltenszentrierte Module organisiert sind.

Einzelne aufsteigende und absteigende Neuronen sind häufig so positioniert, dass sie die willkürlichen Bewegungen mehrerer Körperteile beeinflussen, gemeinsam mit den endokrinen Zellen oder viszeralen Organen, die diese Bewegungen unterstützen. Hirnregionen, die für Lernen und Navigation zuständig sind, überwachen diese Schaltkreise.

Diese Ergebnisse offenbaren eine Architektur, die verteilt, parallelisiert und verkörpert ist und an verteilte Steuerungsarchitekturen in technischen Systemen erinnert.