Bilder aus der kleinen Blackbox

Wissenschaftler beschreiben das Gehirn oft als eine Blackbox – wir wissen, wozu es fähig ist, aber wir verstehen nicht genau, wie. Wir kennen bis zu 3.300 Arten neuronaler Zellen im menschlichen Körper. Gehirn, wir gehen aber davon aus, dass es Dutzende Male mehr sind. Darüber hinaus wissen wir weder, warum sie auftreten, noch, wie man Erkrankungen des Nervensystems heilen kann, die zu den größten medizinischen Herausforderungen der Gegenwart zählen: Parkinson-Krankheit und Alzheimer-Krankheit.

Wir wissen nicht einmal genau, was im Gehirn vor sich geht. Bisher hat noch niemand das menschliche Gehirn gescannt und dabei die Rollen der darin enthaltenen Zellen untersucht, identifiziert und bestimmt. Von diesem Unterfangen ist man noch weit entfernt. Aber in der Zwischenzeit "praktizieren" Wissenschaftler diese Art der Forschung an einer anderen Kreatur namens Drosophila melanogaster – Fruchtfliege.

Neuroforschern, die in einem Verbund aus mehreren Dutzend Laboren weltweit vernetzt sind, ist in jahrelanger Kleinarbeit eine wahre Forschungsleistung gelungen. Es gelang ihnen, das gesamte Gehirn einer Fruchtfliege zu erforschen und zu kartieren. Es klingt wie Hohn oder Untertreibung, aber in diesem kleinen Gehirn, das so groß ist wie ein Mohnsamen, gibt es nicht weniger als 8.453 Arten von Nervenzellen, fast dreimal mehr, als wir vom menschlichen Gehirn kennen.

Bevor das Fliegenhirn kartiert wurde, gelang es den Forschern, die gleiche Arbeit an einem Wurm durchzuführen, der nur 302 Neuronen hat. Diese Arbeit war jedoch weder so komplex, noch erwartete man, dass sie einen großen Beitrag zu einem besseren Verständnis des menschlichen Gehirns leisten würde. Außerdem wurde das Gehirn einer Fruchtfliegenlarve kartiert. Es verfügt über etwa 3.000 Neuronen und ist damit immer noch unvergleichlich einfacher als das Gehirn einer erwachsenen Fruchtfliege mit etwa 140.000 Neuronen und zig Millionen Synapsen, die sie verbinden.

Warum die Fruchtfliege und was hat ihr Gehirn mit unserem zu tun?

WISSENSCHAFTLICHE MODELLE

Das erste Tier, das in den Weltraum geschickt wurde, war nicht Laika, die 1957 die Erde umkreiste, sondern Fruchtfliegen. 1947 packten amerikanische Astronauten sie in eine Rakete, brachten sie auf eine Höhe von 100 Kilometern und landeten anschließend mit dem Fallschirm auf der Erde. Ziel war es, zu untersuchen, wie sich Strahlung und Schwerelosigkeit auf Fliegen auswirken.

Drosophila melanogaster wurde zu diesem Zeitpunkt bereits seit über einem halben Jahrhundert als Modellorganismus für verschiedenste Forschungszwecke verwendet. Fruchtfliegen lebten auf der Internationalen Raumstation, ihr Genom wurde vor dem des Menschen sequenziert und die Bildung ihrer Augen wird von Genen gesteuert, die denen des Menschen entsprechen. Tatsächlich weisen Fruchtfliegen 60 Prozent der menschlichen DNA auf, darunter auch Gene für Lernen und Down-Syndrom. Bis zu zwei Drittel der Gene, die beim Menschen Krankheiten verursachen, kommen auch in der Fruchtfliege vor. Allerdings ist ihr Genom deutlich einfacher als unseres und daher für die Erforschung und Manipulation besser geeignet.

Obwohl all dies erst in diesem Jahrhundert bekannt wurde, erlangte die Fruchtfliege für die Forscher schon viel früher Bedeutung. Der amerikanische Evolutionsbiologe Thomas Morgan, der später für seine Erklärung der Rolle der Chromosomen bei der Vererbung den Nobelpreis erhielt, schlug 1901 vor, Fruchtfliegen als Modellorganismus zu verwenden. Morgan erhielt nicht nur den Nobelpreis für seine Forschungen über Fliegen, die Forschungen zu diesem Insekt wurden bislang insgesamt sechs Nobelpreise verliehen.

Solche Modell- oder Exemplarorganismen – von denen Mäuse wahrscheinlich die bekanntesten sind – werden für detaillierte Studien bestimmter biologischer Phänomene verwendet, etwa der Wirkung von Medikamenten, der Mechanismen der Krankheitsentstehung oder der Epidemiologie von Infektionen. Die Entwicklung der Organtransplantation, die Entdeckung des Insulins und dessen Verwendung zur Behandlung von Diabetes sowie viele andere medizinische Verfahren wären nicht möglich oder so wirksam gewesen, wenn nicht Tiere für diese Zwecke geopfert worden wären, anstatt an Menschen zu experimentieren (siehe Kasten). „Pflichttests“). Ideale Modellorganismen sind klein, haben einen kurzen Lebenszyklus, vermehren sich schnell, sind leicht verfügbar und verfügen über spezifische Eigenschaften, die für eine bestimmte Forschung geeignet sind. Als Thomas Morgan mit Fruchtfliegen experimentierte und Chromosomen als Vererbungsvektor für Gene identifizierte, wurde allgemein anerkannt, dass Morgan dazu beigetragen hatte, die Biologie in eine experimentelle Wissenschaft zu verwandeln.

Zu den gängigen Modellmikroorganismen zählen beispielsweise Bakterien Escherichia coli das Teil des Mikrobioms des Menschen und vieler anderer Lebewesen ist, sowie Backhefe, Saccharomyces cerevisiae, das häufig in der Forschung zu DNA-Schäden und -Reparaturen eingesetzt wird. Die erste Pflanze, deren Genom sequenziert wurde und an der zahlreiche Studien durchgeführt werden, ist Arabidopsis thaliana. Diese unscheinbare, einjährige Blütenpflanze, die auf mehreren Kontinenten vorkommt, galt lange als die Pflanze mit dem kleinsten Genom aller Angiospermen. Doch es stellt sich heraus, dass es auch solche mit kleineren Genomen gibt, wie zum Beispiel einige fleischfressende Pflanzen.

LEBEN IN ZUCKER UND HARZ

Foto: Sanjay Acharya / Wikimedia Commons

Die Fruchtfliege ist sehr klein, nur etwa zweieinhalb Millimeter groß, und hat eine kurze Lebensdauer. Es fühlt sich bei Zimmertemperatur wohl und seine Ernährung ist recht einfach. In der Natur sind Fruchtfliegen am häufigsten in der Nähe von überreifen Früchten und fermentierten Getränken zu finden, sodass ihre Bedürfnisse im Labor einfach und kostengünstig zu befriedigen sind. Von der Eiablage bis zum Tod vergehen lediglich 50 Tage. In dieser Zeit bringt es etwa 2000 Nachkommen zur Welt.

Ein so einfaches Insekt erfüllt gleichzeitig viele komplexe Funktionen. Wie die Princeton-Forscher, die an dieser Studie teilnahmen, erklären, finden in diesem winzigen Körper sowohl einige der einfachen Aktionen statt, wie schnelle Bewegung, Navigation, Nahrungssuche, das Vermeiden von Raubtieren und die Reaktion auf Licht und Dunkelheit, als auch einige sehr komplexe wie etwa die Kommunikation mit Liebespartnern, da es bekannt ist, dass Männchen im Feuer der Liebe den Weibchen etwas vorsingen.

Um das Gehirn der Fruchtfliege zu kartieren, entfernten die Forscher ihr Gehirn, das mit bloßem Auge kaum erkennbar ist, und tauchten es in Harz, wo es aushärtete. Sie schnitten dieses Stück Harz in 7050 mikroskopisch dünne Stücke, Scheiben. Sie fotografierten jedes einzelne davon durch ein Mikroskop mit extrem hoher Auflösung. Anschließend wiederholten sie diesen Vorgang mehr als tausend Mal und erhielten etwa 21 Millionen Bilder. Ein globales Team aus 287 Personen aus 76 Laboren unter der Leitung von Forschern der Princeton University, der University of Vermont und der University of Cambridge machte sich an die Arbeit, diese Bilder zu überprüfen. Sie arbeiteten ein Jahrzehnt lang daran, jedes einzelne Neuron und jede synaptische Verbindung zu identifizieren.

Als Ergebnis fanden sie heraus, dass die Fruchtfliege insgesamt 139.255 Neuronen besitzt, die in 8.453 Typen eingeteilt sind. Sie haben jeden Neuronentyp beschrieben und benannt. Sie entdeckten außerdem etwa 50 Millionen chemische Synapsen und zeigten dann, wie alle Teile des Gehirns vernetzt und verbunden sind – wie sie zusammenarbeiten, um Signale zu verarbeiten, die in Aktionen umgewandelt werden. So entstand mit Hilfe von Supercomputern eine komplexe, faszinierende dreidimensionale Karte aus Millionen synaptischer Verbindungen und ein Computermodell, das für weitere Forschungen genutzt werden soll.

„Was wir geschaffen haben, ist in vielerlei Hinsicht ein Atlas“, sagte Sven Dorkenwald, Erstautor der Arbeit über die Kartierung des Fliegenhirns. „Genauso wie Sie nicht ohne Google Maps an einen neuen Ort fahren möchten, möchten Sie auch das Gehirn nicht ohne Karte erkunden. Wir haben einen Gehirnatlas erstellt und Notizen zu allen Geschäften, Gebäuden und Straßennamen hinzugefügt. Forscher sind jetzt in der Lage, das Gehirn gezielt zu manipulieren, um es zu verstehen.“

Auf den ersten Blick ist das Ergebnis dieser Leistung nur diese Karte, aber in Wirklichkeit ist es nur ein Ausgangspunkt, von dem aus wir – mit viel weniger Aufwand – zahlreiche wichtige Entdeckungen erwarten, die nicht nur über die Fruchtfliege sprechen, sondern möglicherweise auch über den Menschen und sein Gehirn. . „Jedes Gehirn, das wir wirklich verstehen, sagt uns etwas über alle Gehirne“, erklärt Sebastian Seung, Professor für Neurowissenschaften und Informatik in Princeton, und meint, dass wir mit einem Netzwerkdiagramm das Potenzial für ein „beispielloses, detailliertes und tiefes Verständnis“ haben.

Doch das menschliche Gehirn ist noch unendlich viel komplexer: Es verfügt über Milliarden von Neuronen (wer weiß, wie viele Arten es gibt!) und Billionen von Synapsen. Damit stellt es das komplexeste neuronale Netzwerk dar, das es gibt. Nur ein umfassendes Verständnis der neuronalen Verbindungen wird dazu beitragen, Licht in die Blackbox zu bringen und Antworten auf einige der rätselhaftesten Fragen unserer Zeit zu finden.

Obligatorische Tests

In den 20er Jahren verschrieben Ärzte massenhaft das Medikament Sulfanilamid in Tabletten- und Pulverform zur Behandlung von Streptokokken. Im Sommer 1937 wurde bei dem großen Pharmaunternehmen „Massengill“ aus Bristol (Tennessee, USA), das damals etwa 200 Mitarbeiter beschäftigte, ein Bedarf für das gleiche Medikament in Sirupform gemeldet. Der Chefchemiker und Apotheker dieses Unternehmens, Harold Cole Watkins, führte einige Experimente durch und kam zu dem Schluss, dass sich Sulfanilamid gut in Diethylenglykol auflöste. Diese organische Verbindung ist geruchlos, farblos und hat einen süßen Geschmack. Das einzige, was Watkins nicht wusste, war, dass es auch sehr giftig war.

Er löste Sulfanilamid in Diethylen und fügte ein wenig Himbeeraroma hinzu – so wird es üblicherweise bei der Herstellung von Medikamenten für Kinder gemacht. Im Kontrolllabor wurden Geschmack, Geruch und Aussehen geprüft und die gute Qualität der Mischung bestätigt. Sie nannten es „Elixier Sulfanilamid“ und füllten es in 633 Flaschen, die im September 1937 an Apotheken in verschiedenen Teilen der Vereinigten Staaten geschickt wurden.

Bereits im Oktober desselben Jahres trafen erste Informationen ein, dass dieses „Elixier“ den Tod mehrerer Menschen verursacht hatte. In der Folgezeit starben mindestens 100 Menschen an einer Vergiftung mit dem „Medikament“.

Der Eigentümer des Pharmaunternehmens „Masengill“, Samuel Masengill, bestritt, dass das Unternehmen für den Vorfall verantwortlich sei, und der Chemiker Watkins beging während seiner Untersuchung Selbstmord. Das Unternehmen wurde mit einer symbolischen Geldstrafe belegt, mit der Begründung, dass es verboten sei, ein Produkt als Elixier zu bezeichnen, wenn es keinen Alkohol enthalte.

Aufgrund des großen öffentlichen Drucks verabschiedete der Kongress jedoch im folgenden Jahr den Food, Drug and Cosmetic Act, der Unternehmen verpflichtet, alle ihre Produkte an Tieren zu testen und die Ergebnisse der Food and Drug Administration (FDA) vorzulegen, um eine Herstellungsgenehmigung zu erhalten. Lizenz. Mittlerweile ist diese Regelung deutlich verschärft worden, doch nach wie vor gehören Tierversuche zum Prüfprozess jedes Arzneimittels dazu.