Ein Gehirn besteht aus unzähligen Nervenzellen und synaptischen Verbindungen. In diesem Projekt rekonstruieren wir erstmals die Verbindungen sämtlicher Neuronen und deren Verbindungen im Drosophila Larvengehirn. Der vollständig rekonstruierte Gehirnschaltkreis wird auch als Konnektom bezeichnet.

Schaltplan im Gehirn der Drosophila Larve für den Pilzkörper
Bild: Andreas Thum

Vorhaben

Sensorischen Reize mit positiven oder negativen Verstärkungen zu assoziieren ist essentiell für das Überleben von Tieren und Menschen. Aber wie und wo im Gehirn finden solche Assoziationen statt? Leider existieren für Lern- und Gedächtniszentren keine kompletten Rekonstruktionen von Gehirnarealen, die alle Nervenzellen und synaptischen Verbindungen beinhalten. Daher haben wir dieses Projekt gestarten, um für ein Gehirnareal - dem larvalen Pilzkörper - all diese Informationen zu rekonstruieren.


Vorgehen

Daher haben wir in diesem Projekt den larvalen Pilzkörper vollständig zellulär und synaptisch in einem 3D Volumen, dass auf einem elektronen mikroskopisch gescannten vollständigen larvalen Gehirn basiert, rekonstruiert. Dabei haben wir eine Reihe von bisher unbekannten Verschaltungsmustern identifiziert, die sich in jedem Pilzkörper-Kompartiment wiederholen:

  1. reziproke Pilzkörperneuron-Verbindungen zu modulatorischen Inputzellen;
  2. modulatorische Inputzellen zu Outputzellen;
  3. eine überraschend hohe Zahl an Verbindungen zwischen Pilzkörperneuronen.


Ziel

Die neu entdeckten stereotypen Verschaltungsmuster könnten die Auswahl erlernter Verhaltensweisen verbessern. Durch die vollständige synaptische Verschaltungskarte des Pilzkörpers können nun erstmals zielgerichtet funktionelle Studien konzipiert werden, um die neuronalen Prinzipien von Lernen und Gedächtnis gezielt zu untersuchen.

 

Publikationen

Recurrent architecture for adaptive regulation of learning in the insect brain
Eschbach C, Fushiki A, Winding M, Schneider-Mizell CM, Shao M, Arruda R, Eichler K, Valdes-Aleman J, Ohyama T, Thum AS, Gerber B, Fetter RD, Truman JW, Litwin-Kumar A, Cardona A, Zlatic M.
Nat Neurosci. 2020 Apr;23(4):544-555.
DOI: 10.1038/s41593-020-0607-9

 

Connectomics and function of a memory network: the mushroom body of larval Drosophila
Thum AS, Gerber B.
Curr Opin Neurobiol. 2019 Feb;54:146-154.
DOI: 10.1016/j.conb.2018.10.007

 

Functional architecture of reward learning in mushroom body extrinsic neurons of larval Drosophila
Saumweber T, Rohwedder A, Schleyer M, Eichler K, Chen YC, Aso Y, Cardona A, Eschbach C, Kobler O, Voigt A, Durairaja A, Mancini N, Zlatic M, Truman JW, Thum AS, Gerber B.
Nat Commun. 2018 Mar 16;9(1):1104.
DOI: 10.1038/s41467-018-03130-1

 

The complete connectome of a learning and memory centre in an insect brain.
Eichler K, Li F, Litwin-Kumar A, Park Y, Andrade I, Schneider-Mizell CM, Saumweber T, Huser A, Eschbach C, Gerber B, Fetter RD, Truman JW, Priebe CE, Abbott LF, Thum AS, Zlatic M, Cardona A.
Nature. 2017 Aug 9;548(7666):175-182.
DOI: 10.1038/nature23455

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