Der Kompass des Fliegengehirns hält eine Richtung im Dunkeln

Eine Fruchtfliege weiß, in welche Richtung sie schaut, auch im Dunkeln. In einer ringförmigen Struktur in der Mitte ihres Gehirns, dem Ellipsoidkörper, tragen Kompassneuronen einen einzelnen Aktivitätsbuckel, der beim Drehen der Fliege um den Ring wandert wie eine Kompassnadel. Im Dunkeln folgt der Buckel weiter den Drehungen der Fliege und bleibt stehen, solange sie sich nicht dreht (Seelig & Jayaraman, 2015).

Der vollständige Schaltplan dieses Netzes ist inzwischen bekannt. Das FlyWire-Konsortium hat jedes Neuron im Gehirn einer erwachsenen Fliege kartiert (Dorkenwald et al., 2024; Zelltypen: Schlegel et al., 2024), darunter die 47 Kompassneuronen, EPG-Zellen genannt, und die Zellen, die auf sie zurückwirken. Daraus folgt eine einfache Frage: Reicht die Verschaltung, um eine Richtung zu halten?

Die Verschaltung allein reicht nicht

Wir lassen das vollständige FlyWire-Gehirn im Computer laufen, 138.639 Neuronen, verbunden genau wie kartiert. Setzen wir einen Buckel auf den Kompassring und schalten jeden Eingang ab, bleibt er nicht. Wo immer wir ihn setzen, rutscht er an eine feste Stelle zurück: Nach 100 Schritten liegen nur 2 von 16 Buckeln noch nahe ihrem Startpunkt, so viel wie Zufall. Die Karte hält fest, welche Zellen mit welchen verbunden sind. Wie schnell jede Zelle reagiert, hält sie nicht fest.

Das Zeitverhalten der Zellen abstimmen

Jede Verbindung blieb, wie sie ist. Nur die Zelltypen des Rings selbst, 28 mit 459 Neuronen, durften sich anpassen: wie stark sie reagieren, wie aktiv sie in Ruhe sind, wie schnell sie vergessen und in welchem Rhythmus sie schwingen. Abgestimmt haben wir auf eine einzige Aufgabe, einen Buckel zu halten, wo immer er gesetzt wird. Getestet haben wir danach an 16 Richtungen, auf die der Ring nie abgestimmt wurde. Eine Richtung gilt als gehalten, wenn der Buckel noch innerhalb von 30 Grad seines Startpunkts liegt; durch Zufall wären es etwa 3 von 16.

Danach hielt der Ring 15 oder 16 der 16 neuen Richtungen 100 Schritte lang, in jedem von drei unabhängigen Läufen, und 11 bis 15 nach 300 Schritten. Ohne den Rhythmus lernte der Ring nicht: In einem Kontrolllauf mit Rhythmus null hielten nur 3 von 16.

Welche Zellen das Gedächtnis tragen

Danach haben wir je einen Zelltyp abgeschaltet, so wie Neurowissenschaftler es bei echten Fliegen mit genetischer Stilllegung tun. Auf diesen Test wurde der Ring nie abgestimmt. Ohne Δ7- oder PEN-Zellen hielt er nach 100 Schritten in jedem Lauf höchstens 6 von 16, bei Δ7 und PEN2 nahe Zufall; ohne PEG-Zellen 2, 8 und 5. Mehrere Ringneuronen-Typen, am deutlichsten ER2, ER4m und ER6, waren für 100 Schritte nicht nötig, für 300 aber schon: Ohne einen davon fiel das Halten auf Zufall.

Bei fliegenden Fliegen hält die Schaltung einen mit Licht gesetzten Buckel, und ein Netz aus lokaler Erregung und globaler Hemmung hält ihn einzeln und stabil (Kim et al., 2017). In unserem Modell ließ die Abstimmung die Schleife aus Kompass-, PEN-, PEG- und Δ7-Zellen etwa 1,4- bis 1,6-mal stärker reagieren und langsamer vergessen.

Eine Vorhersage für echte Fliegen

In der Fliege verschieben PEN-Zellen den Buckel, wenn sich die Fliege dreht (Green et al., 2017), und blockiert man ihren Ausgang bei laufenden Fliegen, wird der Buckel schwächer und springt (Turner-Evans et al., 2017). Unser Modell sagt voraus, dass er auch bei einer still stehenden Fliege im Dunkeln nicht hält. Unseres Wissens ist das für sich allein noch nicht geprüft.

Wie es weitergeht

Als Nächstes dreht sich der Kompass mit dem Körper und hält seine Richtung länger.

Der unveränderte Schaltplan der Fliege hielt eine Richtung im Dunkeln, sobald 28 seiner Zelltypen das passende Zeitverhalten bekamen.

Wir danken dem FlyWire-Konsortium für den Schaltplan und die Zelltyp-Annotation.