Das larvale 4D Standardgehirn von Drosphila melanogaster auf Einzelzellebene

Wie organsiert ein Gehirn Verhalten basierend auf sensorischem Input, Motivation oder aufgrund erworbener Erfahrung? Seit Jahrhunderten beschäftigt diese Frage Gehirnforscher aus vielen Disziplinen. Obwohl es gelungen ist, bestimmte Aspekte von Verhalten speziellen Gehirnarealen zuzuordnen, können interessanterweise diese Ergebnisse nur schwer in Modelle übertragen werden. Daher gibt es auch heute noch kein einfaches, generell akzeptiertes Model für die Funktionsweise des Gehirns. Vergleicht man Modelorganismen untereinander, so kann man feststellen, dass die Fruchtfliege Drosophila eine wichtige Mittelposition einnimmt, flankiert von extrem einfachen Formen (z.B. C. elegans oder Aplysia), die nur eingeschränkt einen Vergleich zum Menschen erlauben und komplexeren Vertebraten Systemen (z.B. Maus oder Zebrafisch), welche nummerische, ethische und technische Probleme zeigen. Derzeit gibt es Anstrengungen für Drosophila das Konnektom des larvalen Gehirns durch serielle Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zu entschlüsseln und andererseits einen 3D Atlas des Fliegengehirns zu etablieren, basierend auf Gehirnscans von verschiedene GAL4 Fliegenlinien mittels Konfokaler Mikroskopie. Leider unterliegen beide Methoden biologischen Beschränkungen. Die TEM Methode ist limitiert auf die anatomische Analyse eines einzigen Gehirns, erlaubt jedoch aufgrund seiner hohen Auflösung die Etablierung des Konnektoms. Ein 3D Gehirnatlas für die Fliege bietet zwar die Möglichkeit anatomische mit funktionellen Studien zu verbinden, jedoch verhindert die Komplexität des Fliegengehirns (100.000-200.000 Nervenzellen) eine vollständige Analyse und beschränkt sich auf ca. 10% des Gehirns. Es ist das Ziel dieser Arbeit das Gehirn von Drosophila während seiner larvalen Entwicklung (ca. 10.000 Neuronen) in seiner Gesamtheit neuroanatomisch zu rekonstruieren. Basierend auf tausenden von GAL4, LexA und Split-GAL4 Linien soll zusätzlich ein Set von genetischen Werkzeugen definiert werden, dass Drosophila Forschern erlaubt einzelne Zelltypen im Larvengehirn genetisch zu manipulieren. Das Forschungsvorhaben wird unterstützt durch die Arbeitsgruppen von B. Dickson und J. Truman vom HHMI Janelia Farm Reserach Campus (USA) durch Zugang zum weltweit größten Set an transgenen Drosophila und anatomischen Rohdaten derer larvalen Gehirne. Das vorgestellte Vorhaben beinhaltet die Arbeit von drei verschiedenen Gruppen aus dem Bereich der Neurobiologie und Informatik. 1) Das Thum Labor wird die Neuronen in den Expressionsmustern dieser Linien immunohistochemisch und mittels konfokaler Mikroskopie visualisieren und funktionell analysieren. 3) Das Merhof Labor wird die Neurone auf ein larvales Standardgehirn registrieren. 4) Das Bühler Labor wird die prozessierten Daten organisieren, visualisieren und in Form einer open access Datenbank zur Verfügung stellen. Somit kann erstmals der stetig wachsenden Gruppe an europäischen Forschern, welche die Neurobiologie der Fliegenlarve untersucht, eine gemeinsame Basis geboten werden. Die Ergebnisse dieses Projekts werden ein wichtiger Grundstein für detaillierte Arbeiten zur anatomischen, entwicklungsbiologischen und funktionalen Erforschung des larvalen Gehirns sein; dadurch bietet sich erstmals die Möglichkeit ein Model für die Funktionsweise eines Gehirns zu etablieren.

Wie organsiert ein Gehirn Verhalten basierend auf sensorischem Input, Motivation oder aufgrund erworbener Erfahrung? Seit Jahrhunderten beschäftigt diese Frage Gehirnforscher. Obwohl es gelungen ist, bestimmte Aspekte von Verhalten speziellen Gehirnarealen zuzuordnen, gibt es auch heute noch kein einfaches, generell akzeptiertes Model für die Funktionsweise des Gehirns. Die Fruchtfliege Drosophila belegt als Modellorganismus eine wichtige Mittelposition zwischen extrem reduzierten Organismen (z.B. C. elegans oder Aplysia), die nur eingeschränkt einen Vergleich zum Menschen erlauben, und komplexen Systemen (z.B. Maus oder Zebrafisch), die numerischen, ethischen und technischen Beschränkungen unterliegen. In diesem Projekt wurde erstmals einen Atlas des Gehirns der Drosophila während seiner larvalen Entwicklung erstellt, anatomisch kartiert und mit einer Standardnomenklatur versehen Dieser Atlas wurde in Folge verwendet, um eine sehr große Anzahl dreidimensionaler konfokaler Mikroskopiebilder genetischer Linien, die unterschiedliche Neuronen exprimieren, in einen gemeinsamen Referenzraum abzubilden. Dadurch wird z.B: ermöglicht, schneller genetische Werkzeuge zu entwickeln, um einzelne Drosophila Nervenzellen ansprechen und manipulieren zu können. Ein wichtiger Schritt, um einzelne Schaltkreise, die mit einem bestimmten Verhalten zusammenhängen, zu entschlüsseln. Das internationale Projekt wurde von drei Forschungsgruppen aus dem Bereich der Neurobiologie und Informatik durchgeführt: Prof. Andreas Thum (Universität Leipzig), Prof. Dorit Merhof (RWTH Aachen) und Dr. Katja Bühler (VRVis, Wien). Das Team wurde von Jim Truman (HHMI, Janelia) und Volker Hartenstein (UCLA) unterstützt. Um die Daten zu visualisieren, zu organisieren und semantisch, anatomisch und räumlich durchsuchbar zu machen, wurde von der Forschungsgruppe um Katja Bühler ein komplettes Datenmanagementsystem, sowie neue web-basierte Visualisierungsverfahren und räumliche Datenindexierungsmethoden entwickelt. Das System ermöglicht es, Bild- und Anatomiedaten im Terabytebereich nahezu in Echtzeit zu durchsuchen, und so die Entwicklung von Hypothesen und Hypothesen signifikant zu beschleunigen. Der neu erstellte Atlas und das dafür entwickelte Informationssystem, stellen einen wichtigen Beitrag zu Open Science dar und sind öffentlich unter www.larvalbrain.org abrufbar. Der Atlas ist für die Wissenschaftscommunity eine wichtige Ressource, gibt aber auch Laien einen Einblick in die Anatomie des Fruchtfliegengehirns.