Pallab Ghosh
BBC-Wissenschaftskorrespondent
Sie können laufen, in der Luft schweben und Männchen können sogar Liebeslieder singen, um Weibchen anzulocken. Sie tun dies alles mit Gehirnen, die kleiner als ein Stecknadelkopf sind.
Wissenschaftler, die das Gehirn einer Fliege untersuchen, haben zum ersten Mal die Form und Position jeder der 130.000 Gehirnzellen und 50 Millionen Kontakte bestimmt.
Die bisher detaillierteste Analyse eines erwachsenen Tiergehirns.
Ein führender Gehirnexperte, der nicht an der Forschung beteiligt war, beschrieb die Forschung als einen „großen Fortschritt“ beim Verständnis des menschlichen Gehirns.
Dr. vom Molekularbiologischen Labor des Medical Research Council in Cambridge. Gregory Jefferies sagt, wir hätten derzeit keine Ahnung, wie das Netzwerk von Zellen in unserem Gehirn es uns ermöglicht, miteinander und mit der Welt um uns herum zu interagieren.
„Was sind die Zusammenhänge? Wie fließen die Signale in dem System, das die Informationen verarbeitet, um Ihr Gesicht zu erkennen, Ihnen das Hören meiner Stimme ermöglicht und diese Worte in elektrische Signale umwandelt?“
„Die Kartierung des Fliegengehirns ist wirklich eine bemerkenswerte Arbeit und wird uns helfen, wirklich zu verstehen, wie unser eigenes Gehirn funktioniert.“
Wir haben eine Million Mal mehr Gehirnzellen oder Neuronen als die in der Studie untersuchte Fruchtfliege.
Wie könnte also eine Karte der Kontakte im Zentrum des Gehirns einer Fliege Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wie wir denken?
Die von Wissenschaftlern erstellten Diagramme, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, zeigen schöne, aber komplexe Zusammenhänge.
Der Schlüssel zur Erklärung, wie ein so kleines Organ solch leistungsstarke Rechenaufgaben erfüllen kann, liegt in seiner Form und Struktur.
Die Entwicklung eines Computers in der Größe eines Mohnsamens, der all diese Aufgaben erfüllen kann, übersteigt bei weitem die Möglichkeiten der heutigen Wissenschaft.
Einer der Leiter des Projekts, Dr. von der Princeton University. Mala Murthy sagt, dass die neuen Kontaktdiagramme, wissenschaftlich als „Konnektome“ bekannt, „für Neurowissenschaftler transformativ“ sein werden.
„Es wird Forschern helfen, besser zu verstehen, wie ein gesundes Gehirn funktioniert. Wir hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, zu vergleichen, was in unserem Gehirn passiert, wenn etwas schief geht.“
Dr., Leiter des Gehirnforschungsclusters am Francis Crick Institute in London, der nicht an der Studie beteiligt war. Auch Lucia Prieto Godolo unterstützt diese Ansicht.
„Forscher hatten die Beziehungen eines einfachen Wurms mit 300 Konnektomen und eines anderen Wurms mit dreitausend Kontakten vervollständigt. Das Auffinden von 130.000 Kontakten ist jedoch ein großer technischer Fortschritt, um Konnektome in größeren Gehirnen wie Mäusen und vielleicht in unserem eigenen Gehirn innerhalb von 10-10 Jahren zu finden.“ 20 Jahre.“
Die Forscher identifizierten für jede Funktion andere Schaltkreise und zeigten, wie diese miteinander verbunden sind.
Bewegungsbezogene Beziehungen liegen beispielsweise an der Basis des Gehirns, während diejenigen, die für die Verarbeitung des Sehvermögens erforderlich sind, seitlich lokalisiert sind. Um zu sehen, müssen viel mehr Neuronen beteiligt sein, da das Sehen viel mehr Rechenleistung erfordert.
Wissenschaftler wussten, dass Sehen und Bewegung in anderen Schaltkreisen stattfinden, sie konnten jedoch nicht herausfinden, wie sie miteinander verbunden sind.
Warum ist es schwierig, Fliegen zu fangen?
Andere Forscher haben bereits begonnen, Schaltpläne zu verwenden. Sie untersuchten beispielsweise, warum es schwierig ist, Fliegen mit zusammengerollten Zeitungen oder Zeitschriften zu fangen.
Sichtschaltkreise erkennen, von welcher Seite die von Ihnen aufgerollte Zeitung kommt, und senden Signale an die Beine der Fliege.
Ein stärkeres Sprungsignal geht jedoch an die Beine, die weiter von dem Objekt entfernt sind, das sie töten könnte. So können sie springen, ohne nachdenken zu müssen. Im wahrsten Sinne des Wortes ist die Absicht schneller als das Gesicht.
Dieser Befund könnte erklären, warum wir ungeschickten Menschen selten Fliegen fangen.
Das Verbindungsdiagramm wurde erstellt, indem das Gehirn einer Fliege mit einem Gerät zerschnitten wurde, das einer mikroskopisch kleinen Käsereibe ähnelt. Jede der 7.000 Scheiben wurde fotografiert und mithilfe digitaler Techniken zusammengefügt. Das Team der Princeton University nutzte künstliche Intelligenz, um die Zustände und Verbindungen aller Neuronen zu extrahieren.
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Das sind die Kontakte, die zur Verarbeitung der Vision benötigt werden. Da das Sehen mehr Berechnungen erfordert, ist viel mehr erforderlich als die Bewegung.
Allerdings lieferte die künstliche Intelligenz keine einwandfreien Ergebnisse und Experten korrigierten manuell über drei Millionen Fehler.
Das war technisch gesehen eine schwierige Aufgabe, aber die Arbeit war noch nicht beendet.
Erneut vom Labor für Molekularbiologie des Medical Research Board, Dr. Laut Philipp Schlegel war die Karte allein bedeutungslos, ohne zu definieren, was die einzelnen Beziehungen bewirkten.
„Diese Daten sind wie Google Maps, nur für das Gehirn. Das rohe Kontaktdiagramm zwischen Neuronen wird verwendet, um zu wissen, welche Strukturen welchen Straßen und Gebäuden entsprechen.“
„Um die Neuronen zu definieren, müssen der Karte die Namen von Straßen und Städten, Geschäftsöffnungszeiten, Telefonnummern und Bewertungen hinzugefügt werden. Beides ist erforderlich, damit sie wirklich nützlich ist.“
Dr. Dank dieser neuen Karte werde es in den nächsten Jahren „eine Lawine von Entdeckungen“ in der Neurowissenschaft geben, sagte Schlegel.
Das menschliche Gehirn ist viel größer als das von Fliegen, und wir verfügen noch nicht über die Technologie, um alle Informationen über seine Kontakte abzurufen.
Forscher glauben jedoch, dass es innerhalb von schätzungsweise 30 Jahren möglich sein könnte, ein menschliches Konnektom zu haben. Sie sagen, das Fliegengehirn sei der erste Schritt zu einem neuen, tieferen Verständnis der Funktionsweise unseres Gehirns.
Die Forschung wurde von einer großen internationalen Zusammenarbeit von Wissenschaftlern namens Flywire Consortium durchgeführt.
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