Interaktives Zebrafischgehirn

Neurobiologen haben den ersten, interaktiven Zellatlas für das Gehirn von Zebrafischen veröffentlich. Noch umfasst er wenige Tausend Zellen, aber die Ausweitung auf einen Großteil der rund 100.000 Nervenzellen der Zebrafischlarven ist geplant.

Wären Zebrafischlarven im Internet unterwegs, könnten sie vielleicht bald eine Karte ihres gesamten Gehirns herunterladen. „Ganz so weit sind wir noch nicht“, erklärt Michael Kunst vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie. „Doch ein erster Atlas mit über 2000 Nervenzellen ist nun online.“ Der Anfang ist also gemacht und kann durch Daten von Wissenschaftlern weltweit ergänzt werden. So soll ein Referenzwerk entstehen, durch das sich Funktionen und Strukturen im Wirbeltiergehirn zusammenführen lassen.

„Wir wollen verstehen, wie auch weit voneinander entfernte Hirnbereiche ihre Aktivität koordinieren, um Verhalten zu steuern“, fasst Kunst eines der Ziele der Abteilung von Herwig Baier zusammen. „Dazu müssen wir jedoch den Schaltplan des Gehirns auf Ebene einzelner Zellen kennen.“ Denn es sind einzelne, miteinander verbundene Zellen, die zum Beispiel sensorische Informationen zusammenbringen oder ein Verhalten auslösen. Die Funktion der Zellen ist daher untrennbar mit ihrer Position, Form und Verschaltung gekoppelt.

Kunst und seine Kollegen haben mit Hilfe der Molekulargenetik einzelne Nervenzellen per Zufall im Gehirn von Zebrafischlarven gefärbt. So wurden diese Zellen in den ansonsten durchsichtigen Fischchen unter dem Mikroskop sichtbar.

„Wir haben die Form und genaue Lage der gefärbten Zellen dann zum Teil in Handarbeit erfasst und digitalisiert“, berichtet Eva Laurell, die einen Großteil der Bilder erstellt hat. Nach und nach entstand so aus den Informationen hunderter Zebrafischlarven ein kombinierter Nervenzellatlas, ein “Standardgehirn” mit über 2000 Zellen aus 72 Hirnregionen.

In den kleinen, fast durchsichtigen Zebrafischlarven können die Wissenschaftler potenziell alle Nervenzellen unter dem Mikroskop erkennen – und das, während das Gehirn der Tiere zum Beispiel Sinneseindrücke verarbeitet und Verhalten erzeugt. Für solche Untersuchungen sind andere Tierarten nicht geeignet, weil ihre Gehirne zu groß oder undurchlässig für Licht sind.

„Unser Zellatlas für das Zebrafischgehirn kann Verbindungswege quer durch das ganze Gehirn zeigen“, so Kunst. Eines der Ziele des so erstellten Schaltplans ist es, die beobachtete Hirnaktivität zum Beispiel bei einem Verhalten einzelnen Zellen und Verbindungen zuzuordnen. Dass dies funktioniert, haben bereits erste Studien wie die von Anna Kramer aus der Gruppe von Fumi Kubo gezeigt.

Die Wissenschaftler hoffen nun, dass sie den Zellatlas in den nächsten Jahren auf einen Großteil der rund 100.000 Nervenzellen der Zebrafischlarven ausweiten können. „Wir haben den Zellatlas ganz bewusst so gestaltet, dass rekonstruierte Nervenzellen auch aus anderen Laboren recht einfach integriert werden können“, erklärt Kunst.

In einem nächsten Schritt soll der neue Zellatlas auch mit Informationen zu den Zellkontakten, den Synapsen, kombiniert werden, wie sie zum Beispiel die Serienschnitt-Rasterelektronenmikroskopie liefert. Die Wissenschaftler um Herwig Baier hoffen, dass dadurch in wenigen Jahren ein “funktionell kartiertes Konnektom” erstellt werden kann. Mithilfe eines solchen kompletten Nervenzellschaltplans können die Wissenschaftler dann die Informationsverarbeitung im Gehirn nicht nur nachvollziehen, sondern auch die Effekte von Verbindungsstörungen, wie sie zum Beispiel bei Krankheiten des Nervensystems auftreten, präzise voraussagen.

Originalpublikation:
Kunst M et al.: A cellular-resolution atlas of the larval zebrafish brain. Neuron, 27. Mai 2019