’In der Robotik ist diese kleine Fliege eine riesige Inspiration’

Am Labor für Neuroengineering der EPFL arbeitet das Team von Pavan Ramdya daran, das Gehirn der Fruchtfliege Drosophila melanogaster nachzubilden. Die Perspektiven in der Robotik sind reich. Interview.

Auf dem Bildschirm, weiß auf schwarzem Hintergrund, bewegt eine tausendfach vergrößerte Drosophila melanogaster gemächlich ihre sechs Beine über eine kugelförmige Oberfläche. "Schauen Sie, gleich müsste sie den Moonwalk machen". Wir befinden uns im Herzen des Labors für Neuroengineering der EPFL, zusammen mit Pavan Ramdya, dem Projektleiter, und Maite Azcorra, einer Postdoktorandin. Dank der Optogenetik durchläuft die Fliege unter dem Mikroskop einen Zyklus von Bewegungen, die ihren Neuronen durch Lichtimpulse diktiert werden. Wie auf Kommando bewegt das Insekt plötzlich seine Gliedmaßen und führt tatsächlich einen kleinen Tanz im Rückwärtsgang auf...

Das Team von Pavan Ramdya beschäftigt sich seit 2017 mit dem neuronalen System dieser 2 mm großen Fliege, die im Englischen als Fruchtfliege oder fruit fly bezeichnet wird. "Maite untersucht derzeit, wie die absteigenden Neuronen im Gehirn die motorischen Schaltkreise steuern", erklärt der Neurowissenschaftler. Langfristig will das 14-köpfige Team das Gehirn der Drosophila durch Reverse Engineering nachbilden. Zu den jüngsten Meilensteinen des Projekts gehören die Schaffung eines digitalen Zwillings der Fliege, mit dem ihre Reaktionen realistisch simuliert werden können, sowie große Fortschritte beim Verständnis, wie neuronale Netzwerke einfache Gehirnsignale in koordinierte Handlungen umwandeln. Wir setzen uns in das Büro des New Yorker Neurowissenschaftlers und unterhalten uns.

Wie würden Sie den Geist Ihres Projekts in wenigen Worten beschreiben?

Seit Jahrhunderten versuchen die Menschen, Maschinen zu bauen, die Tieren oder Menschen ähneln. Im antiken Griechenland wurden einfache Marionetten hergestellt, aber man kann schon von Biomimikry sprechen: Man schaut sich an, wie sich ein Körper bewegt, und versucht, ihn zu imitieren. Hier verfolgen wir die gleiche Leidenschaft. Der Unterschied ist, dass die Werkzeuge und Fähigkeiten heute so weit entwickelt sind, dass man das mit einem winzigen Tier wie Drosophila machen kann.

Warum gerade Drosophila melanogaster?

Es gibt natürlich auch komplexere Tiere, wie Säugetiere, aber sie sind schwieriger zu studieren. Es gibt einfachere, wie den Wurm C. elegans, der nur 300 Neuronen hat (Drosophila hat ca. 100.000 Neuronen, der Mensch ca. 86 Milliarden), aber es gibt viel weniger von ihnen zu lernen. Im Gegensatz zu Würmern haben Fliegen Beine. Mit diesen machen sie viele Dinge. Sie bewegen sich, putzen sich, schieben Hindernisse beiseite usw. Im Bereich der Robotik oder Prothetik ist es viel interessanter zu verstehen, wie eine Kreatur mit Beinen und Flügeln funktioniert. Sie sind in dieser Hinsicht perfekte Wesen: einfach genug, um studiert zu werden, aber komplex genug, um viel von ihnen zu lernen.

Sie sagen in Ihrem jüngsten TEDx-Vortrag , dass die Roboter, die wir zur Erkundung und Besiedlung neuer Planeten einsetzen könnten, diesen Fliegen sehr ähnlich sehen werden...

Diese Forschungsroboter müssen viele Ziele ganz allein erreichen. Sie müssen Entscheidungen treffen, während sie sich durch unbekanntes und feindseliges Gelände bewegen. Forscherinnen und Forscher arbeiten schon seit Jahrzehnten daran, aber bis jetzt sind selbst die ausgeklügeltsten Roboter im Vergleich zu diesem einfachen Tier weit abgeschlagen. Fliegen verfügen über erstaunliche Fähigkeiten. Neben der Tatsache, dass sie fliegen können, verfügen sie dank ihrer sechs Beine über eine hohe Stabilität. Sie können sich in alle Richtungen, in drei Dimensionen und kopfüber bewegen, während sie mit ihren Beinen Aufgaben erledigen..... Eine echte Quelle der Inspiration.

Welche Perspektiven bietet Ihr Projekt in Bezug auf Robotik oder KI?

Viele Leute arbeiten an der Hardware, an Batterien etc. Das ist nicht unser Bereich. Wir versuchen, das Kontrollzentrum, den neuronalen Controller, zu entwickeln. Bei der Idee, einen Fliegenroboter zu entwickeln, interessieren wir uns dafür, wie er seine Gliedmaßen steuert. Wir untersuchen, wie das Nervensystem der Fliege funktioniert, um uns davon inspirieren zu lassen und dann künstliche neuronale Netze nachzubilden, die in der KI oder Robotik eingesetzt werden können. Ich erwähne nebenbei, dass dieser Roboter nicht die Größe einer Fliege haben müsste. Solange der Maßstab eingehalten wird, kann man ihn sich in allen möglichen Größen vorstellen; er könnte so groß wie ein Haus sein - auch wenn das vielleicht ein wenig beängstigend wäre.

Aber Ihre Arbeit geht noch weiter...

Ja, wir arbeiten auch an den Sensoren, die Fliegen an ihren Gliedmaßen haben. Das ist einer der einzigartigen Aspekte von Fliegen. Ihre Beine sind mit Mechano-Sensoren übersät. Wie nutzt die Fliege all die Informationen, die sie sammelt, um ihre Umgebung und die Objekte, denen sie begegnet, zu verstehen, und wie entscheidet sie, ob sie ihre Beine zu einem bestimmten Zeitpunkt hebt oder nicht? Das sind Fragen, die wir versuchen zu beantworten. Um dies zu erreichen, versuchen wir derzeit, Materialien herzustellen, die der Fliegenhaut ähneln, mit eingebauten Sensoren, die in Roboter eingebaut werden könnten.

Viele Robotik- und KI-Experten sind der Meinung, dass man, um wirklich lernfähige Maschinen zu erschaffen, diese zwangsläufig mit Körpern ausstatten muss, die sich in ihrer Umgebung bewegen und diese berühren können...

Ja, das ist eine der zentralen Theorien bei denjenigen, die sich mit Neurobiologie und Verhalten beschäftigen. Und weil lebende Systeme besser funktionieren als Roboter, sollte es auch in der KI eine der zentralen Theorien sein. Leute, die sich mit maschinellem Lernen beschäftigen, weisen oft darauf hin, dass bei Menschen Babys sich ständig bewegen, berühren und erforschen, um die Welt zu verstehen. Dieses Erkunden funktioniert natürlich unendlich viel besser, als wenn man sie nur mit Unmengen von Daten oder Videos versorgt. Die Sensoren, von denen wir gesprochen haben, dienen bei der Fliege genau diesem Zweck.

Was sind die größten Hürden bei der Entwicklung von Systemen, die durch die Erkundung ihrer Umgebung lernen können?

Eine der Hürden besteht darin, erfolgreich Algorithmen zu entwickeln, die sensorische Daten berücksichtigen und daraus etwas Nützliches machen können. Wenn wir nicht verstehen können, wie diese Daten abgebildet werden, ist es sehr schwer zu lernen, wie man angemessene Verhaltensweisen entwickelt. Ich halte es für wichtig, eines zu betonen: Wir haben die Lösung, sie existiert. Sie ist nur im Nervensystem der Tiere verborgen. Das ist es, was wir zu enthüllen versuchen. Anstatt Jahrzehnte damit zu verbringen, de novo Lösungen zu generieren, warum suchen wir diese Lösungen nicht bei den Tieren?

Das ist sicher ein einfacherer und schnellerer Ansatz?

Um ehrlich zu sein, wird die Lösung wahrscheinlich in einer Kombination beider Ansätze liegen. Das liegt vor allem daran, dass ein Tier vielen Zwängen und Zielen unterliegt, die uns hier nicht interessieren. Wir brauchen keine Roboter, die sich z. B. fortpflanzen oder defäkieren können. Das ist übrigens auch der Grund, warum wir Biologen und nicht nur Ingenieure brauchen. Biologen wissen besser, was man ausschließen muss: Sie wissen zum Beispiel, welche Neuronen für die Ausscheidung von Nahrung zuständig sind, sodass sich Ingenieure nicht darum kümmern müssen. Daher ist die Interdisziplinarität bei der Arbeit so wichtig.

Ist es das Ziel, das menschliche Gehirn zu kartografieren?

Ich werde Ihnen eine etwas egoistische Antwort geben, aber für mich persönlich ist das nicht so wichtig. Ich habe noch, sagen wir, 40 Jahre zu leben, wenn ich Glück habe, und ich würde wirklich gerne wichtige Entdeckungen sehen, die mich lehren, wie biologische Systeme funktionieren, während ich noch lebe. Bei der Fliege ist das möglich. Beim menschlichen Gehirn wird es komplizierter. Vielleicht ist das nur eine Frage des Maßstabs? Vielleicht ist es nur eine Sache, das Gehirn einer Fliege zu nehmen und es mit einer Million zu multiplizieren? Das Ergebnis wäre etwas Intelligentes, und das wäre zweifellos interessant. Aber wäre das mit der menschlichen Intelligenz vergleichbar? Ich bin mir nicht sicher. Ich glaube nicht, dass man für das menschliche Gehirn denselben Ansatz wie für das Fliegengehirn verwenden kann. Das würde zu lange dauern.

Inwiefern unterscheidet sich Ihre Herangehensweise an die Neurowissenschaften von der anderer Neurowissenschaftler?

In den Neurowissenschaften würde ich sagen, dass über 99 % der Leute im Rahmen der Grundlagenbiologie an Themen arbeiten, die mit der Humanmedizin in Verbindung stehen. Die meisten Studien beziehen sich auf die Auswirkungen, die sie z. B. auf die Behandlung einer Krankheit haben können. Das hat zur Folge, dass man in den meisten Fällen Mäuse oder Ratten untersucht, weil sie Säugetiere sind, genau wie wir. Ich denke, dass das, was wir hier im Labor tun, die Perspektive in zweierlei Hinsicht verändern kann. Erstens betrachten wir die Neurowissenschaften nicht nur in ihrer Verbindung zur menschlichen Gesundheit. Wir denken in Begriffen der Robotik, in neuen Wegen, Maschinen zu bauen. Zweitens lenken wir die Aufmerksamkeit auf den winzigen Bruchteil der Neurowissenschaftler, die sich mit Insekten beschäftigen. Man darf nicht vergessen, dass ein großer Teil der Insekten auf unserem Planeten bedroht ist. Wenn man zum Beispiel an die Bestäubung und die Bienen denkt, sind dies Fragen von immenser Bedeutung. Drosophila ist nicht im Rückgang begriffen, aber die Beschäftigung mit ihr kann uns helfen, unser Wissen über die Arten, die im Rückgang begriffen sind, zu erweitern und den Rückgang aufzuhalten. Es trägt dazu bei, die Welt ökosystemischer zu betrachten und über die Rolle der Vielfalt der Tiere auf dem Planeten nachzudenken.

BIO EXPRESS

Pavan Ramdya wurde 1979 in New York City geboren. Er wuchs in der Nähe der Stadt, auf Long Island, auf. Als Kind interessierte er sich schon früh für Roboter: "Ich fragte mich immer, wie man einen menschenähnlichen Roboter bauen könnte.

Als junger Mann wollte er zunächst Medizin studieren - "als Amerikaner mit indischen Wurzeln wird von einem normalerweise erwartet, dass man entweder Arzt oder Ingenieur wird", schmunzelt er heute. Doch als er seine Unterlagen für das Medizinstudium zusammenstellte, änderte er im letzten Moment seine Meinung und wandte sich den Neurowissenschaften zu. Zunächst an der Drew University, dann an der Harvard University, wo er 2009 seinen Doktortitel erwarb.

Im Rahmen seiner postdoktoralen Arbeiten, die sich bereits mit Drosophila befassten, kam er nach Lausanne. Zunächst im Labor von Richard Benton an der Universität Lausanne, dann in dem von Dario Floreano an der EPFL. Nach einem zweijährigen Aufenthalt am California Institute of Technology kehrte er 2017 als Professor für Neurowissenschaften und Bioengineering an die EPFL zurück. Dort leitet er das Labor für Neuroengineering.

Der Neurowissenschaftler ist auch Musiker. In seinem Büro thront majestätisch sein Fender Jazz Bass. "Als ich jünger war, habe ich viel gejammt und Rockmusik gemacht, Led Zeppelin und so weiter. Heute spiele ich weiter, wann immer ich Zeit finde. Ich mag alle Arten von Musik." Kann sein Groove mit seinem Talent als Forscher mithalten? Die Antwort gibt es heute, am 4. April 2025, auf der Bühne im Polydôme mit der SV Band.