Interaktives Zebrafischgehirn

„Wir wollen verstehen, wie auch weit entfernte Hirnbereiche ihre Aktivität koordinieren, um Verhalten zu steuern“, fasst Michael 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.

Michael 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 potentiell 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 Michael 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.

KONTAKT
Dr. Stefanie Merker
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Neurobiologie
Email: merker@neuro.mpg.de
Tel.: 089 8578 3514

Michael Kunst, Eva Laurell, Nouwar Mokayes, Anna Kramer, Fumi Kubo, Antonio Miguel Fernandes, Dominique Förster, Marco Dal Maschio & Herwig Baier
A cellular-resolution atlas of the larval zebrafish brain
Neuron, online 27. Mai 2019, Printausgabe 3. Juli 2019
DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.04.034

http://www.neuro.mpg.de/baier/de – Webseite der Abteilung von Herwig Baier am MPI für Neurobiologie
http://www.neuro.mpg.de/2019-07-Baier-Kramer/de – Information zur Studie von Anna Kramer
https://youtu.be/ecVMVHyenC8 – Videozusammenfassung zu dieser und der parallel erschienenen Publikation zum Optischen Fluss