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Die Bestimmung der Anzahl der Zellen im Gehirn ist der Schlüssel zur Erforschung von Struktur und Funktion des Gehirns. Doch das Zählen von Neuronen anhand von Mikroskopiebildern ist zeitaufwändig, und das menschliche Auge ist schnell erschöpft. Um dieses Problem zu lösen, schneiden die Forschenden normalerweise Gehirngewebe auf und zählen dann die Zellen in einem Schnitt, um die Gesamtzahl der Neuronen im Gehirn zu schätzen. Diese Methoden sind jedoch fehleranfällig, denn es wird davon ausgegangen, dass die Anzahl der Neuronen oder anderer Zellen im gesamten Gehirn gleich ist. Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EPFL einen neuen Ansatz entwickelt, um Zellen mit übermenschlicher Genauigkeit und Geschwindigkeit im intakten Gehirn einer Drosophila-Larve (Fruchtfliege), einem wichtigen Modellorganismus der Neurowissenschaften, zu identifizieren.
Die Ergebnisse zeigten, dass es weniger Neuronen und viel mehr Gliazellen – eine Art von Zellen, die Neuronen unterstützen und schützen – gibt als bisher angenommen. Das Team entdeckte auch unerwartete Unterschiede zwischen den Gehirnen von männlichen und weiblichen Larven, wobei Weibchen wesentlich mehr Neuronen haben als Männchen.
«Derzeit versuchen Forschende, Roboter oder Computer dazu zu bringen, Probleme zu lösen, die traditionell von Menschen gelöst wurden», erklärt der Hauptautor der Studie, Brian McCabe, Direktor des «Laboratory of Neural Genetics and Disease» und Professor an der Fakultät für Lebenswissenschaften der EPFL. «Wir versuchen, den Computern auf halbem Weg entgegenzukommen, indem wir ihnen die Lösung des Problems erleichtern.» Untersuchen Neurowissenschaftlerinnen zum Beispiel Nervenzellen, markieren sie die gesamte Zelloberfläche. Neuronen können jedoch äusserst komplexe Strukturen aufweisen: Wie andere Zellen haben sie einen rundlichen Zellkörper, in dem sich der Zellkern und andere zelluläre Strukturen befinden. Neuronen haben jedoch etwas, was andere Zellen nicht haben – eindringende Ausstülpungen, die aus dem Zellkörper herausragen, um elektrische und chemische Signale in die Zelle hinein und aus ihr heraus zu transportieren. «Für Computer ist dies sehr schwer zu messen», bemerkt McCabe.
Wei Jiao, Postdoktorandin im Labor von McCabe, und ihre Kolleginnen und Kollegen verwendeten genetische Hilfsmittel, um eine fluoreszierende Markierung in Drosophila-Larven zu erzeugen, die nur den Kern eines Neurons zum Leuchten bringt. Dann bildeten sie das Gehirn der Larven mit einer hochentwickelten Mikroskopietechnik ab, die es den Forschenden ermöglicht, ein 3D-Bild einer Probe zu erstellen, ohne sie zu beschädigen. Am Schluss liess das Team die Mikroskopiebilder durch den Computer überprüfen und analysieren. «In diesen Bildern ist das Neuron nur ein Punkt, und das maschinelle Sehen muss nicht nach komplexen 3D-Formen suchen – es muss lediglich die Punkte zählen», so McCabe weiter.
Auf diese Weise fand das Team heraus, dass die Gehirne von weiblichen Larven etwa 10 300 Neuronen haben, 15 bis 30 % weniger als bisher angenommen, und etwa 3800 Gliazellen, dreimal mehr als bisher angenommen.
Die Gehirne männlicher Larven haben etwa 9400 Neuronen und damit fast 10 % weniger als die Gehirne der Weibchen. Allerdings fanden die Forschenden heraus, dass Männchen etwa 4 % mehr Gliazellen haben als ihre weiblichen Artgenossen. «Im Larvenstadium haben Drosophila keine äusseren Geschlechtsorgane, daher war es überraschend, einen so grossen Unterschied zu finden», ergänzt McCabe.
Weitere Analysen von Mathematikerinnen und Mathematikern unter der Leitung von Kathryn Hess, Direktorin des «Laboratory for Topology and Neuroscience» und Professorin an der Fakultät für Lebenswissenschaften der EPFL, bestätigten die Geschlechtsunterschiede im Gehirn. Als die Forschenden die Daten mit Hilfe von Methoden aus dem Bereich der Mathematik, der so genannten Topologie, die sich mit der Form von Daten befasst, analysierten, konnten sie das Geschlecht des Tieres allein anhand der Topologie seines Gehirns mit 99 %iger Genauigkeit vorhersagen. «Die sich entwickelnde generelle Struktur des männlichen Gehirns scheint sich von der des weiblichen Gehirns zu unterscheiden», macht Hess deutlich. Die Ergebnisse wurden in eLife veröffentlicht.
Schematische Darstellung der Pipeline molekulargenetischer, mikroskopischer und computergestützter Technologien, die zur Zählung der Zellen im gesamten Larvengehirn von Drosophila eingesetzt werden. Credit: B. McCabe (EPFL)
Obwohl es derzeit keine Erklärung für diese Geschlechtsunterschiede gibt, vermutet McCabe, dass Verhaltensunterschiede zu der unterschiedlichen Anzahl von Neuronen und Gliazellen in den Gehirnen von Männchen und Weibchen beitragen könnten. Gleichwohl zeigen die Ergebnisse auf, dass Forschende bei der Untersuchung von Verhaltensweisen oder Gehirnverschaltungen zwingend beide Geschlechter betrachten müssen.
Nachdem die Forschenden nunmehr genau die Anzahl der Gehirnzellen in der Drosophila-Larve bestimmt haben, wollen sie untersuchen, wie Neuronen miteinander verbunden sind und welche Funktion sie im Gehirn haben. Zu diesem Zweck will McCabe eine ähnliche Reihe von Technologien einzusetzen, in deren Rahmen genetische Werkzeuge mit Bildgebung und computergestützter Datenanalyse verbunden werden – ein Ansatz, den die Forschenden als «Robogenetik» oder Genetik für Computer bezeichnen. Laut McCabe könnte die Robogenetik die computergestützte Datenanalyse erheblich beschleunigen und die Untersuchung biologischer Daten durch Theoretikerinnen ermöglichen. Ein solcher interdisziplinärer Ansatz sei auch eines der Ziele des neu eröffneten «Center for Imaging» der EPFL, eines Zentrums für fortschrittliche Bildgebung und Analyse.