Mithilfe genetischer Werkzeuge, die es Computern ermöglichen, Neuronen auf mikroskopischen Bildern genau zu zählen, haben Forscherinnen und Forscher der ETH Lausanne folgende Schätzungen vorgenommen mit beispielloser Genauigkeit die Anzahl der Neuronen und anderer Zelltypen im Gehirn von Fruchtfliegenlarven und stellten fest, dass Weibchen deutlich mehr Neuronen haben als Männchen.
Die Bestimmung der Anzahl der Gehirnzellen ist für die Erforschung der Struktur und Funktionsweise des Gehirns von entscheidender Bedeutung. Das Zählen von Neuronen auf mikroskopischen Bildern ist jedoch zeitaufwendig und ermüdet das menschliche Auge sehr. Um dieses Problem zu lösen, schneiden Forscherinnen und Forscher normalerweise das Hirngewebe auf und zählen dann die Anzahl der Zellen in einem Abschnitt, um die Gesamtzahl der Neuronen im Gehirn zu schätzen. Diese Methoden sind jedoch fehleranfällig, da sie davon ausgehen, dass die Anzahl der Neuronen oder anderer Zellen im gesamten Gehirn gleich ist. Nun haben Wissenschaftler der EPFL einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem sie die Zellen im intakten Gehirn von Drosophila-Larven (Fruchtfliege), einer für die Neurowissenschaften wichtigen Organismenart, mit einer Genauigkeit und Geschwindigkeit identifizieren können, die die menschlichen Fähigkeiten übersteigt.
Die Ergebnisse zeigten, dass weniger Neuronen und viel mehr Gliazellen - ein Zelltyp, der die Neuronen unterstützt und schützt - vorhanden waren als bisher angenommen. Das Team entdeckte auch unerwartete Unterschiede zwischen den Gehirnen von männlichen und weiblichen Larven, wobei letztere deutlich mehr Neuronen aufwiesen als erstere.
Die Wissenschaftler versuchen derzeit, Roboter oder Computer dazu zu bringen, Probleme zu lösen, die normalerweise von Menschen gelöst werden.erklärt Brian McCabe, Hauptautor der Studie, Leiter des Labors für Genetik und neuronale Krankheiten und Professor an der Fakultät für Biowissenschaften der EPFL. Wir versuchen, die Computer auf halbem Weg zu finden, indem wir das Problem für sie leichter lösbar machen. Wenn Neurowissenschaftler zum Beispiel Nervenzellen beobachten, markieren sie die gesamte Oberfläche. Neuronen können äußerst komplexe Strukturen aufweisen. Wie andere Zellen haben sie einen rundlichen Körper, in dem sich der Zellkern und die anderen Zellstrukturen befinden. Aber Neuronen haben etwas, was andere Zellen nicht haben: komplexe Ausstülpungen, die sich vom Zellkörper aus erstrecken, um elektrische und chemische Signale in die Zelle hinein und aus ihr heraus zu transportieren. Für Computer ist das sehr schwer zu messen", berichtet Brian McCabe.
In ihrer Studie an Drosophila-Larven verwendeten Wei Jiao, Postdoktorandin im Labor von Brian McCabe, und ihre Kollegen genetische Werkzeuge, um einen Fluoreszenzmarker zu exprimieren, der nur den Kern der Neuronen zum Leuchten brachte. Anschließend stellten sie das Gehirn der Larven mithilfe einer ausgeklügelten Mikroskopietechnik bildlich dar, die es den Forschern ermöglicht, ein 3D-Bild einer Probe zu erstellen, ohne diese zu beschädigen. Schließlich ließ das Team Computer die mikroskopischen Bilder inspizieren und analysieren. Auf diesen Bildern wird das Neuron als einfacher Punkt dargestellt, und die Computervision muss nicht nach komplexen 3D-Formen suchen, sondern nur die Punkte zählen", erklärt Brian McCabe.
Mit diesem Ansatz fand das Team heraus, dass das Gehirn der weiblichen Larven etwa 10.300 Neuronen besaß, 15-30% weniger als bisher geschätzt, und etwa 3.800 Gliazellen, dreimal mehr als bisher angenommen.
Das Gehirn der männlichen Larven besitzt ca. 9.400 Neuronen, das sind fast 10% weniger Neuronen als das der weiblichen Larven. Dafür besitzt es laut dem Forscherteam etwa 4% mehr Gliazellen als das Gehirn der weiblichen Tiere. Im Larvenstadium hat Drosophila keine äußeren Geschlechtsorgane. Wir waren daher überrascht, einen so großen Unterschied festzustellen", fährt Brian McCabe fort.
Weitere Analysen, die von Mathematikerinnen und Mathematikern unter der Leitung von Kathryn Hess, Leiterin des Labors für Topologie und Neurowissenschaften und Professorin an der der Fakultät für Biowissenschaften an der EPFL, bestätigten geschlechtsspezifische Unterschiede im Gehirn. Als das Forschungsteam die Daten mit Methoden aus einem Teilgebiet der Mathematik, der Topologie, analysierte, die sich mit der Form von Gehirnzellen befasst, wurde klar, dass es sich bei den Daten um Daten aus einem anderen Teilgebiet handelt.die Form von Daten untersucht, stellte sich heraus, dass sie das Geschlecht eines Tieres allein aufgrund der Topologie seines Gehirns mit einer Genauigkeit von 99% vorhersagen konnten. Die emergente Gesamtstruktur des männlichen Gehirns scheint sich von der des weiblichen Gehirns zu unterscheiden, sagt Kathryn Hess. Die Ergebnisse wurden in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift eLife veröffentlicht .
Obwohl es bislang keine Erklärung für diese Geschlechtsunterschiede gibt, stellt Brian McCabe die Hypothese auf, dass Verhaltensunterschiede dazu beitragen könnten, dass die Anzahl der Neuronen und Gliazellen zwischen männlichen und weiblichen Gehirnen variiert. Er fügt jedoch hinzu, dass Forscher, die das Verhalten oder die Verbindungen im Gehirn untersuchen, angesichts der Ergebnisse beide Geschlechter untersuchen sollten.
Nachdem sie nun genau bestimmt haben, wie viele Gehirnzellen Drosophila-Larven besitzen, wollen sie untersuchen, wie die Neuronen untereinander verbunden sind und welche Funktion sie im Gehirn haben. Um dies zu erreichen, plant Brian McCabe den Einsatz einer ähnlichen Reihe von Technologien, die genetische Werkzeuge mit computergestützter Bildgebung und Datenanalyse kombinieren - ein Ansatz, den die Forscherinnen und Forscher Robogenetik oder Genetik für Computer genannt haben. Die Robogenetik könnte der computergestützten Datenanalyse neue Impulse verleihen und Theoretiker in die Lage versetzen, biologische Daten zu untersuchen, meint Brian McCabe. Ein solcher interdisziplinärer Ansatz sei eines der Ziele des kürzlich eröffneten Imaging Centers der EPFL, einem Zentrum für fortgeschrittene Bildgebung und Analyse.
ReferenzenWei Jiao, Gard Spreemann, Evelyne Ruchti, Soumya Banerjee, Samuel Vernon, Ying Shi, R Steven Stowers, Kathryn Hess, Brian D McCabe. Intact Drosophila central nervous system cellular quantitation reveals sexual dimorphism. Elife 08 July 2022. DOI: 10.7554/eLife.74968
