WAS DIE VERDRAHTUNG DER FLIEGE WIRKLICH ENTSCHEIDET

Forschende verfügen inzwischen über vollständige Schaltpläne, Synapse für Synapse, des Nervenstrangs der erwachsenen Fruchtfliege: einen von einem Männchen (MANC), einen von einem Weibchen und einen des gesamten Zentralnervensystems eines Männchens (MaleCNS). Simulationen auf Basis dieser Konnektome geben bereits Sinnesreaktionen und eine rhythmische Beinaktivität wieder, die wie Laufen aussieht.

Doch ein Modell, das läuft, beweist nicht, dass seine genaue Verdrahtung zählt. Netze aus verbundenen Einheiten schwingen leicht, und grobe Statistiken — wie viele Verbindungen jedes Neuron hat — legen schon einen Großteil ihres Verhaltens fest. Isabel Guan von der Hong Kong University of Science and Technology und Kollegen von der Hong Kong Polytechnic University, der Nanyang Technological University und der Firma ZENBOT wollten prüfen, welche Merkmale der Beinbewegung tatsächlich von der spezifischen Verdrahtung abhängen.

Echte Verdrahtung gegen durchmischte Kopien

Sie bauten Modelle des Beinmotorsystems aus zwei unabhängigen Konnektomen: MaleCNS mit 10.173 Neuronen und 462.650 Verbindungen und MANC mit 10.440 Neuronen und 634.207 Verbindungen. Die Verbindungsstärken waren einfach die Synapsenzahlen, nie trainiert. Der Eingang kam nur über zwei absteigende Neuronen, DNg100, deren Aktivierung das Vorwärtslaufen startet; der Ausgang wurde an Motoneuronen abgelesen, die an den vier Gelenken jedes Beins in Strecker- und Beugerpools gruppiert waren — 20 antagonistische Paare.

Jedes echte Netz wurde mit 30 durchmischten aus sechs Familien verglichen, die jeweils mehr von der wahren Struktur bewahrten: die Zahl der Verbindungen, die Verbindungen zwischen Zelltypen, die Zahl der Ein- und Ausgänge jedes Neurons sowie Blöcke nach Bein oder nach Entwicklungslinie. Die Entscheidungskriterien wurden festgehalten, bevor die Ergebnisse vorlagen — eine Praxis, die laut den Autoren in der Konnektom-Modellierung selten ist; und ein erneuter Durchlauf der Simulationen reproduzierte alle 4.692 Datensätze pro Konnektom bis auf Rundungsfehler.

Rhythmus ist billig, Koordination nicht

• Rhythmus ist beliebig. Viele durchmischte Netze schwangen so gut wie die echten, manche besser: bis zu 0,96 gegenüber 0,70 im Parameterscan.
• Abwechslung ist spezifisch. Die echte Verdrahtung trieb gegenspielende Pools stärker zum Abwechseln als jedes durchmischte Netz: ein Wert von 0,312 gegenüber höchstens 0,147 bei MaleCNS und 0,173 gegenüber höchstens 0,084 bei MANC.
• Der Effekt konzentriert sich auf das Thorax-Coxa-Gelenk, das erste der vier untersuchten Beingelenke. Bei MaleCNS hielt der koordinierte Zustand die vollen fünf Minuten der längsten Simulationen an.

Ein Prinzip von vor über hundert Jahren

Warum? Vor mehr als einem Jahrhundert schlug C. S. Sherrington die reziproke Innervation vor: Bahnen, die einen Muskel erregen, hemmen seinen Gegenspieler. Das Team maß, wie jedes Neuron die beiden Pools jedes Paares beeinflusst. In beiden echten Konnektomen war der Index der reziproken Innervation deutlich positiv — 0,48 und 0,38 — und in jedem durchmischten Netz negativ. Vom Einfluss, den Neuronen auf beide Pools ausüben, drücken 88 % (MaleCNS) und 83 % (MANC) sie in entgegengesetzte Richtungen, gegenüber 16–49 % nach dem Durchmischen. Das funktioniert auf zwei Wegen: erregende Neuronen, die einen Pool erregen und über ein hemmendes Interneuron den anderen stummschalten; und hemmende Neuronen, die einen Pool stummschalten und den anderen freigeben.

Der entscheidende Test verschob prämotorische Eingänge von einem Pool zu seinem Gegenspieler und veränderte dabei den Gesamteingang jedes Motoneurons nur um 2–4 %. Die Koordination brach zusammen: Der Wert fiel bei MaleCNS auf etwa −0,08, das heißt, gegenspielende Pools feuerten nun gemeinsam, während Kontroll-Durchmischungen innerhalb eines Pools fast 90 % des Werts erhielten.

Grenzen

Es handelt sich um Ergebnisse an einem Modell, nicht am Tier: kein Körper, keine sensorische Rückkopplung, ein einziges Neuronenmodell, vorhergesagte Transmittervorzeichen und Glutamat als hemmend behandelt — als es in früheren Läufen als erregend behandelt wurde, verschwand der Vorteil der echten Verdrahtung. Rund ein Viertel der Zuordnungen von Motoneuronen zu Gelenken ist näherungsweise, und MANC reproduzierte die Befunde mit kleineren Abständen. Die Autoren vermerken außerdem, dass sie KI-Assistenten, darunter Claude von Anthropic, zum Schreiben von Code und zum Entwerfen von Text genutzt haben.

Ihre Lehre für alle, die ein Nervensystem modellieren: Die Verdrahtung an der Koordination testen, nicht am Rhythmus — denn ein durchmischtes Netz kann den Takt genauso gut halten.