Worum geht es in der Forschung von Emil Kind?
In seiner Dissertation hat sich der Biologe mit dem Konnektom befasst, dem Schaltplan des Nervensystems der Taufliege Drosophila melanogaster. Er hat herausgefunden, dass visuelle Informationen auf dem Weg zum Zentralgehirn in mindestens zehn parallelen synaptischen Bahnen verarbeitet werden.

Warum ist das wichtig?
Seine Arbeit schafft ein besseres Verständnis dafür, wie Sehen und Navigation durch neuronale Netzwerke gesteuert werden.

Sechs Beine, zwei Flügel und zwei große Facettenaugen, die aus Hunderten Einzelaugen bestehen. Nur vier Chromosomenpaare, aber 14.000 Gene. In zehn Tagen vom Ei zur erwachsenen Fliege. Dazu ein Gehirn kaum größer als ein Stecknadelkopf mit rund 150.000 Nervenzellen und 150 Millionen Synapsen – das ist die Taufliege Drosophila melanogaster. Dank dieser Eigenschaften ist sie seit mehr als 100 Jahren ein beliebter Modellorganismus in der Wissenschaft. Auch Emil Kind kennt Taufliegen gut – zumindest eine von ihnen. Ihr Konnektom, den Schaltplan ihres Nervensystems, hat der Biologe sechs Jahre lang für seine Doktorarbeit erforscht.

„So, wie das Genom alle Gene eines Organismus beschreibt, zeigt das Konnektom alle Nervenzellen und synaptischen Verbindungen“, erklärt er. Ziel seiner wissenschaftlichen Arbeit: die komplette Darstellung aller visuellen Eingänge in den sogenannten Zentralkomplex im Gehirn der Fliege. Dafür nutzte der Biologe die Daten einer weiblichen Fruchtfliege, die einst in einem amerikanischen Labor lebte. Ihr Gehirn wird inzwischen von mehr als 40 Arbeitsgruppen weltweit untersucht. Emil Kind erklärt wie es präpariert wurde: „Man schneidet das Gehirn in hauchdünne Scheiben. Diese werden unter dem Elektronenmikroskop fotografiert, die Aufnahmen werden am Computer zu einem 3D-Modell zusammengesetzt.“ Weil das Verfahren technisch extrem aufwendig ist, wurde es bisher erst selten angewendet – unter anderem am Gehirn der weiblichen Fruchtfliege, an dessen Modell Emil Kind nun die Bahnen der Neuronen Bild für Bild verfolgt.

Wie orientieren sich Fliegen im Raum?

Zu Beginn seiner Dissertation betrachtete der Biologe noch jede Aufnahme einzeln am Bildschirm und zeichnete die Neuronen von Hand nach. Heute übernehmen Algorithmen diese Aufgabe: „Eine Software zeichnet die Nervenzellen nach – wir müssen nur noch prüfen und gegebenenfalls korrigieren und verfeinern.“

Das Team um Emil Kind wollte wissen, was Fliegen wahrnehmen und wie sie sich dadurch im Raum orientieren. Sie fanden die Nervenzellen, die vom Auge zu den Hirnarealen führen, in denen die Fliege ihre Navigationsentscheidungen trifft. „Wir haben untersucht, wie die Neuronen verknüpft sind und welchen Beitrag die verschiedenen Subtypen zum zentralen Orientierungssystem der Fliege leisten“, sagt der Wissenschaftler.

Gemeinsam mit Jennifer Yuet Ha Lai und Dustin Garner von der University of California, Santa Barbara, hat Emil Kind mehr als 5.000 Nervenzellen der Taufliege mitsamt ihren chemischen Synapsen rekonstruiert – die erste komplette Darstellung aller visuellen Eingänge in den sogenannten Zentralkomplex. Dort steuern spezielle Zellen die Körperorientierung der Fliege im Raum. Mit ihren Facettenaugen nehmen Fliegen auch Reize wahr, die Menschen verborgen bleiben: etwa ultraviolettes Licht und die Polarisation, also die Schwingungsebene von Lichtwellen. Nervenzellen verschiedener Subtypen erfassen diese Eindrücke und leiten sie an das zentrale Gehirn weiter. Einige Neuronen reagieren nur auf das, was die Fliege am Horizont wahrnimmt, andere steuern stets direkt den Zenit an, also den höchsten Punkt im Sichtfeld.

Wie werden sensorische Informationen verarbeitet?

Diese Erkenntnisse lassen sich natürlich nicht eins zu eins auf Menschen übertragen. Mit ihren Facettenaugen, die aus hunderten Einzelaugen – den Ommatidien – bestehen, haben Fliegen etwa ein sehr weites Sichtfeld und bemerken Bewegungen extrem schnell. Deshalb sind sie auch so schwer zu fangen. Dennoch: Emil Kind ist überzeugt, dass sich aus der Forschung an Drosophila allgemeine Prinzipien darüber ableiten lassen, wie sensorische Informationen gebündelt, weitergeleitet und in höheren Gehirnebenen immer abstrakter verarbeitet werden.

Das Konnektom gilt als heiliger Gral der Neurowissenschaft. Wer verstehen will, wie das Gehirn arbeitet, muss wissen, welche Neuronen existieren und wie sie verknüpft sind, sagt der Forscher. Das allein genüge zwar nicht, sei aber entscheidender Baustein. „Bisher gelingt uns das am besten bei der Drosophila. Ihr Gehirn ist groß und komplex genug, um grundlegende neurobiologische Fragen zu untersuchen, und klein genug, um ein komplettes Konnektom zu erstellen“, erklärt Emil Kind.

Der Biologe würde gern Hunderte Fliegengehirne auf diese Weise untersuchen, um Gemeinsamkeiten und individuelle Unterschiede zu finden. Doch davon ist die Forschung weit entfernt. Immerhin: Bei Fliege Nr. 2 (männlich) ließen sich allgemeine Prinzipien bestätigen, doch zeigten sich auch Unterschiede, die noch genauer analysiert werden müssen.

Preisgeld vorerst gespart

Als „echtes FU-Gewächs“ bezeichnet sich der gebürtige Berliner. Während seines Bachelorstudiums an der Freien Universität weckte der Gastvortrag einer Forscherin des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena seine Begeisterung für Neurobiologie am Modellorganismus Drosophila. Also schrieb seine Bachelorarbeit bei Silke Sachse, die mittlerweile Professorin an der Universität Würzburg ist. Für das Masterstudium kehrte er nach Berlin-Dahlem zurück, wo inzwischen zwei neue Arbeitsgruppen zu seinem Thema forschten: von Professor Robin Hiesinger und Professor Mathias Wernet. Seine Masterarbeit schrieb Emil Kind bei Mathias Wernet, und bald entwickelte sich daraus das Thema seiner Dissertation.

Heute ist er Erstautor eines Artikels in der renommierten Fachzeitschrift Nature, Verfasser weiterer Publikationen und Träger des mit 10.000 Euro dotierten Ernst-Reuter-Preises, mit dem die Ernst-Reuter-Gesellschaft jährlich bis zu vier herausragende Dissertationen an der Freien Universität auszeichnet. Das Preisgeld hat Emil Kind vorerst gespart. „Vielleicht machen wir irgendwann einen Familienurlaub“, sagt der Vater von zwei Kindern.

Der lebenden Fliege ins Gehirn gucken

Fliegengehirne findet der Biologe auch nach all den Jahren nicht langweilig. „Wir können einzelne Neuronen oder sogar Teile davon gezielt verändern und die Auswirkungen im lebenden Organismus beobachten“, schwärmt er. Kein anderes Modell bietet so viele experimentelle Möglichkeiten.

So koppeln Forschende zum Beispiel die elektrische Aktivität einer Nervenzelle an ein fluoreszierendes Protein: Leuchtet das Protein heller, ist die elektrische Aktivität der Zelle höher – vereinfacht gesagt. Unter dem Mikroskop lässt sich so verfolgen, welche Nervenzellen aktiv sind, abhängig davon, was die Fliege gerade tut. „Wer geschickt ist, lässt die Fliege über einen Ball laufen, zeigt ihr visuelle Reize und beobachtet ihre Reaktion“, erklärt Emil Kind.

Menschliche Gehirne könne man zwar auch im Magnetresonanztomografen bei der Arbeit beobachten, doch nur mit deutlich geringerer Auflösung, betont er. Die hundert Milliarden Neuronen bleiben unsichtbar; sichtbar ist lediglich ein grobes Bild aktiver Hirnregionen und ihrer Verbindungen. Bei Fliegen lässt sich dagegen jede Verbindung einzeln beobachten. „Das Gehirn einer Fliege besitzt nur etwa 150.000 Neuronen – und dennoch sind wir weit davon entfernt, es zu begreifen.“

Als Postdoc der Arbeitsgruppe von Peter Robin Hiesiger forscht der Biologe inzwischen an einem neuen Thema – und es ist, wie so oft, deutlich komplizierter, als er anfangs dachte. „Um herauszufinden, wie Gehirne sich entwickeln, suchen wir nach individuellen Unterschieden und Ähnlichkeiten. Die Gemeinsamkeiten sind vermutlich Merkmale, die genetisch streng gesteuert und durch den entwicklungsbiologischen Prozess festgelegt sind.“ Auch dabei werden die Fliegen für Emil Kind sicher nicht so schnell langweilig.