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01. April 2008, 14:18 Uhr

Hirnforschung

Der Herr der Fliegen

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Fliegen haben ein nur stecknadelkopfgroßes Gehirn. Aber das reicht, um sie zu Flugkünstlern zu machen. Ein deutscher Forscher will jetzt mit Hobeln, Scannern und faszinierenden 3D-Aufnahmen den neuronalen Schaltplan dahinter entschlüsseln - um vielleicht Roboter zum Fliegen zu bringen.

Alexander "Axel" Borsts Händedruck ist fest, der Bizeps rund. Jahrelanges Bodybuilding hat bei dem Arnold-Schwarzenegger-Fan Spuren hinterlassen. Genauso der Humor, der viele Lachfalten um seine Augen eingraviert hat.

Borsts Reich im Max-Planck-Institut für Neurobiologie im Münchner Vorort Martinsried sieht sauber und neu aus. Schwere Metalltüren wecken Assoziationen an einen Sicherheitstrakt – dass sie fast alle offenstehen, konterkariert diesen Eindruck aber gleich wieder. "Darf ich rauchen?", fragt Borst in seinem Büro, bevor er beginnt, sich langsam und genussvoll eine Zigarette zu drehen. Axel Borst ist ein gemütlicher Mensch, aber er hat sein Leben Tieren gewidmet, die viele Menschen einfach nur lästig finden: Fliegen.

Bei der Beantwortung der Sinnfrage überlegt Borst nicht lange: "Unser Langzeitziel ist es, das Bewegungssehen der Fliege auf zellulärer Ebene zu verstehen." Grundlagenforschung pur: Es geht um die Bausteine eines Gehirns - die Nervenzellen.

Und die kann man an jedem Gehirn studieren - ob an dem einer Fliege oder an dem eines Menschen. Aber auch für die Robotik sind die Fliegen nützlich: In dem Projekt Robo Fly will Borst fliegende Drohnen mit der neuronalen Fliegensteuerung ausstatten.

Fliegen sind gute und schnelle Flieger. Was aber, wenn ein Windstoß kommt und die Fliege abdriftet? Dann ist eine Kurskorrektur nötig. Dafür hat die Fliege einen zuverlässigen Piloten in ihrem Kopf: ihr stecknadelkopfgroßes Gehirn. Auf diese zelluläre Konzentration von Rechenpower hat es Borst abgesehen - und gleich fünf Projekte darauf angesetzt.

Dafür hat er sich lustige Namen ausgedacht: Projekt Big Fly, Little Fly, Blue Fly, Robo Fly und Model Fly. Big und Little Fly bedeuten: Borst arbeitet sowohl an Schmeiß- als auch an den kleinen Drosophila-Fruchtfliegen. Aber was verbirgt sich hinter Blue, Robo und Model Fly?

Wo gehobelt wird, da fallen Fliegenhirn-Scheibchen

Die erste Station ist die Abteilung Blue Fly. Christoph Kapfer hat lange rotblonde Haare, die zu einem Zopf gebunden sind, und sieht aus, als ob er im Spind einen gepackten Rucksack stehen hat, mit dem er nach Feierabend in die Berge abzischt.

Im Alltag hobelt er - Fliegenhirne.

Dafür benutzt Kapfer ein Gerät, das rund eine Million Euro wert ist und geschützt im Keller des Instituts steht: der "Heidelberger Hobel", wie ihn alle nennen. Heidelberg deswegen, weil er von einem Heidelberger Forscher entwickelt wurde. Er ist ein Mikrotom, das gekühlt und in einem Vakuum das Gehirn einer Schmeißfliege in ultradünne Schichten von 30 Nanometern Dicke schneidet - das ist noch hundert Mal kleiner als ein Bakterium. 20.000 dieser Schnitte wird der Hobel machen, ohne Pause, drei Monate lang.

Im Inneren des Vakuums werden die frischen Schnitte sofort von einem Elektronenmikroskop vergrößert und anschließend eingescannt. Alle übereinander gelegt ergeben einen Würfel, der nur halb so dick ist wie ein menschliches Haar. Es ist diese Kombination aus Mikrotom, Mikroskop und Scanner, die den Hobel so einmalig macht.

Vakuum, Kühlung, Vibrationsschutz - der enorme Aufwand ist nötig, damit sich die Schichten nicht verziehen, sagt Kapfer. Man merkt ihm die Anstrengungen an, die in den Vorbereitungen dieses Langzeit-Experiments stecken. Jede Verschiebung würde das Experiment wertlos machen, denn die Scheiben sollen am Ende übereinander gelegt und die einzelnen Zellen mit Hilfe einer Software dreidimensional rekonstruiert werden - im Computer: Projekt Blue Fly. Es ist eine Anspielung auf die Großrechner des IBM-Konzerns, zum Beispiel auf "Deep Blue", der das Schachgenie Garri Kasparow in die Knie zwang.

Langsam wird das Insekt mit Wachs zur Mumie gemacht - die nichts mehr kann außer mit den Facettenaugen zu sehen

Während Kapfer im Keller hobelt, scannt Friedrich Förstner ein Stockwerk höher Zellen ein. Der Biomathematiker ist ein Wanderer zwischen den Projekten Big und Model Fly. Er ist gerade mal 25 und sitzt schon an seiner Doktorarbeit ("Ich habe drei Brüder und musste nicht zum Bund"). Auch Förstners Arbeit erfordert immensen Aufwand.

Erstmal muss man an das Fliegenhirn heran – in der lebenden Fliege wohlgemerkt. Die Chitinkapsel des Fliegenkopfs wird am Hinterkopf geöffnet und das Gehirn freigelegt. Das braucht eine ruhige Hand.

Vor der OP wird die Fliege mit Kohlendioxid betäubt und rücklings mit flüssigem Wachs an eine Glasplatte geklebt. Peu à peu ummantelt der Präparator dann das Insekt mit Wachs, bis es wie eine Mumie eingehüllt nichts mehr tun kann außer mit ihren beiden Facettenaugen zu sehen (siehe Video).

Dann kommt die Fliege in eine "LED-Arena", einen halben Zylinder, in dem Lichtpunkte computergesteuert aufblitzen. Hier erlebt die Fliege den letzten Flug ihres Lebens – allerdings nur als Simulation.

Ihr wird vorgegaukelt, dass sie sich vertikal, horizontal oder um ihre eigene Achse bewegt. In diesem Fliegenkino ist alles möglich. Während die Fliege so optisch gereizt wird, stochert man mit einer farbstoffgefüllten Elektrode in ihrem Gehirn herum - auf der Suche nach der einen Nervenzelle, die man scannen möchte.

In einem Fliegengehirn gibt es Zell-Spezialisten, die nur auf bestimmte Bewegungsrichtungen reagieren. Sieht die Fliege in der Arena also einen Vertikal-Film und hat man eine Nervenzelle angepiekst, die auf vertikale Bewegungen spezialisiert ist, reagiert sie auf den Reiz.

"Eigentlich eine recht stumpfsinnige Arbeit"

Die elektrischen Ströme der Nervenzelle werden über die feine Glaselektrode, die er in sie gepiekst hat, abgeleitet und durch einen Verstärker gejagt. Auf einem Oszilloskop ist die Zellreaktion als Salve von Entladungsspitzen zu sehen. Damit man bei der Suche unter dem Mikroskop nicht ständig auf den Monitor schauen muss, werden die Ströme auch akustisch umgewandelt. Dann rummst es aus den Lautsprecherboxen jedes Mal, wenn die Lichter hoch- und runterwandern.

Glücklicherweise hat Friedrich Unterstützung bei der schwierigen Präparation und der Suche nach der richtigen Zelle - sonst würde seine Doktorarbeit wahrscheinlich 20 Jahre dauern, bei den vielen Zellen, die er bereits gescannt hat.

Friedrich hat seine Zelle gefunden und mit dem Farbstoff gefüllt. Schnell und sicher klickt er auf dem Computer herum. Rot leuchtet die Zelle auf dem Monitor und offenbart ihre T-förmige Struktur. Noch ein paar Klicks, und das computergesteuerte Mikroskop scannt die Zelle automatisch. Jeder Handgriff sitzt. "Das Scannen selbst ist eigentlich eine recht stumpfsinnige Arbeit", sagt Friedrich und guckt ein wenig verschmitzt durch seine Brille. Aber es hat seinen Sinn. "Ich will herausfinden, ob es Gesetzmäßigkeiten gibt, warum die Zellen so aussehen und so wachsen."

Friedrich zeigt am Rechner Animationen, die das Wachstum der Zellen im Fliegenhirn simulieren. Es sieht lustig aus, wie auf einem Reißbrett mit vielen Punkten Arme aus Zellen wachsen und Verbindungen knüpfen. "Sie wachsen ökonomisch", sagt Friedrich. "Sie suchen sich den kürzesten Weg zu ihrem Ziel." Wie sie das schaffen, weiß keiner.

Zellen im 3-D-Kino

Und weiter. Friedrich zeigt den Raum mit dem 3-D-Beamer. Man fühlt sich wie im Kino – im Menschenkino.

Man setzt hier eine Brille auf, die keine roten und grünen Gläser hat, sondern spezielle Polarisationsfilter. Die gescannten Zellen werden auf der großen Leinwand in 3-D angezeigt - mit allen Details: die T-Äste der Vertikal-Zellen, weitere feine Verästelungen, die davon abgehen, sogenannte Dendriten. Hier erhält die Zelle Eingang von anderen Zellen.

Auf einzigartige Weise entsteht so ein Eindruck von der Räumlichkeit dieser Zellen: Und das alles passt in dieses kleine Fliegenhirn. Die Fliegenforscher wissen, dass ihre Forschung reichlich abstrakt ist. Da hilft es, etwas Greifbares zu zeigen.

Das Scannen hat einen weiteren Zweck: Borst und seine Leute wollen die Zellen in silico untersuchen.

In vitro - das ist außerhalb des lebenden Systems, im Reagenzglas. In vivo bedeutet: im lebenden System. Das ist die wachsumhüllte Fliege im LED-Kino mit Elektrode im Kopf. In silico – das sind Friedrichs gescannte und anschließend biomathematisch simulierte Zellen im Computer.

Fliegende Drohne mit vier Rotoren

Projekt Model Fly hat ein Fernziel: einen Schaltplan des Fliegengehirns im Rechner. Auf Basis dieses Schaltplans arbeitet das letzte von Borsts Projekten – Robofly. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität wird dort ein Quadrokopter entwickelt, eine fliegende Drohne mit vier Rotoren. Sie erinnert zwar nicht im Geringsten an eine Fliege, aber die Bewegungsstabilisation soll wie bei dem Insekt funktionieren.

Elektroden in Fliegenhirnen, Hobel, die drei Monate lang Fliegenhirne schneiden - Borsts Forschung ist reichlich abgedreht. Wie kann man so junge Forscher wie Friedrich dafür begeistern? Ganz von alleine gehe das, sagt Borst. Wer nur einmal über die Funktion des Gehirns nachgedacht habe und wisse, wie ein Computer funktioniere, der müsse einfach fasziniert sein von Nervenzellen. Und davon, wie sie arbeiten. Genau diese Frage hat auch ihn selbst damals fasziniert, in Würzburg, bei Martin Heisenberg, der sich das Drosophila-Gehirn vorknöpfte - mit einer ebenso bunten Truppe wie er heute.

"Und irgendwie bin ich da an den Fliegen kleben geblieben", sagt Borst.

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