DER SCHALTPLAN EINER FLIEGE LERNTE SEHEN UND ZÄHLEN

Wie viel von dem, was ein Gehirn kann, steht bereits in seiner Verschaltung? Für ein Tier lässt sich diese Frage inzwischen überprüfen: Vollständige Schaltpläne – Konnektome – des Gehirns der erwachsenen Taufliege liegen vor. Den Autoren zufolge bieten sie die erste vollständige Karte eines Gehirns, das zu komplexem Verhalten fähig ist. Eine Idee, die sich testen lässt, ist die Verdrahtungsökonomie: Die Evolution sollte Schaltkreise begünstigen, die gut funktionieren und dabei teure lange Verbindungen auf ein Minimum beschränken.

Ein Gehirn im Computer, ein Auge davor

Eudald Correig-Fraga, Roger Guimerà und Marta Sales-Pardo von der Universität Rovira i Virgili in Tarragona (Katalonien) gingen vom geprüften Konnektom von Drosophila melanogaster aus: 139.255 Neuronen und 54,5 Millionen synaptische Verbindungen.

Zunächst rekonstruierten sie aus denselben Daten das Facettenauge der Fliege. Aus den Positionen der Photorezeptoren bauten sie jedes Ommatidium nach – eine der kleinen Einheiten des Auges – und bestimmten, wie viel des Gesichtsfelds es sieht. Jeder Photorezeptortyp erhielt seine gemessene Farbempfindlichkeit, verschoben um 200 Nanometer, damit sich gewöhnliche Rot-Grün-Blau-Bilder verwenden ließen; dadurch wird der Ultraviolettkanal der Fliege zu Blau.

Schema von Punkten, die in das Modell des Fliegenauges gelangen und durch das Gehirn fließen, mit Karten der Photorezeptoren und einer 3D-Darstellung von Neuronen.

Vom Bild zur Entscheidung: Farbige Punkte werden von einem rekonstruierten Facettenauge abgetastet, dann fließt die Aktivität durch die echte Verschaltung zu den Kenyon-Zellen. — Abbildung 1, Correig-Fraga, Guimerà & Sales-Pardo (2026), arXiv:2610.10023.

Licht aktiviert dann die Netzhautneuronen, und die Aktivität breitet sich Schritt für Schritt durch die echte Verschaltung bis zu den Kenyon-Zellen des Pilzkörpers aus, wo eine einzige einfache Einheit eine Entscheidung abliest. Dem Gehirn wird nichts hinzugefügt. Das Einzige, was das Modell lernen darf, ist eine Stärke pro vorhandener Verbindung, so begrenzt, dass sie nie die Zahl der tatsächlich beobachteten Synapsen übersteigen kann.

Farbe, Form, Anzahl

Das Team testete drei visuelle Aufgaben:

Farbe. Ist der Kreis blau oder gelb? Jedes Modell erreichte nahezu 100 %. Die echte Verschaltung kam auf 92 % ganz ohne Training.
Form. Kreis oder Stern? Trainiert mit Bildern in der linken Hälfte des Gesichtsfelds und getestet in der rechten, erreichte die echte Verschaltung 64 %.
Anzahl. Welche Farbe hat mehr Punkte, wenn die Gesamtfläche jeder Farbe angeglichen ist, sodass die Größe die Antwort nicht verrät? Dem Modell wurde nie gesagt, wie viele Punkte es gab. Seine Trefferquote stieg mit dem Verhältnis der beiden Zahlen, von 64 % bei einem Verhältnis von 1,5 auf 85 % bei einem Verhältnis von 5. Dieses Muster ist das Kennzeichen eines ungefähren Zahlensinns, der laut der Studie auch bei echten Taufliegen beobachtet wurde.

Durchmischte Gehirne

Um zu prüfen, ob die genaue Verschaltung eine Rolle spielt, bauten die Forschenden vier durchmischte Versionen des Gehirns, alle mit denselben Neuronen:

eine unbeschränkte, in der die ausgehenden Verbindungen jedes Neurons zu zufälligen Zielen führen, sodass viele lange Leitungen entstehen;
eine gestutzte, so weit beschnitten, bis ihre gesamten Verdrahtungskosten denen des echten Gehirns entsprachen, aber mit im Mittel längeren Verbindungen;
zwei distanzangepasste, die die echte Verteilung der Leitungslängen und die gesamten Verdrahtungskosten beibehalten.

In den durchmischten Gehirnen mit langen Leitungen flutet die Aktivität schon im zweiten Schritt fast das ganze Gehirn; im echten bewegt sie sich allmählicher vom Auge nach innen.

Balkendiagramme der Trefferquote bei Farb-, Form- und Anzahlaufgaben für fünf Netzwerke sowie ein Liniendiagramm der Trefferquote in Abhängigkeit vom Weber-Verhältnis.

Trefferquote des echten Konnektoms (blau) und von vier durchmischten Versionen bei den drei Aufgaben; rechts verbessert sich die Unterscheidung von Anzahlen, je größer das Verhältnis der beiden Mengen wird. — Abbildung 3, Correig-Fraga, Guimerà & Sales-Pardo (2026), arXiv:2610.10023.

Der Preis langer Leitungen

Das unbeschränkte und das gestutzte Gehirn erzielten höhere Werte, etwa 70 % bei den Formen gegenüber 64 %. Sie gewinnen, indem sie über lange Verbindungen schneller mehr Neuronen erreichen – genau die Verbindungen, die ein echtes Tier nach Ansicht der Autoren Energie und entwicklungsbiologische Komplexität kosten würden. Ist der Vergleich fair, mit demselben Verdrahtungsbudget und derselben Verteilung der Leitungslängen, schlug das echte Fliegengehirn beide durchmischten Konkurrenten bei jeder Aufgabe. Die Autoren deuten dies als effizienten evolutionären Kompromiss zwischen Leistung und Verdrahtungskosten.

Ein bewusst einfaches Modell

Das Modell lässt den Großteil der Biologie echter Neuronen außer Acht: Es gibt keine Feuerraten, keine Zeitkonstanten, und das Auslesen über die Kenyon-Zellen ist eine praktische Wahl, nicht die vollständige Entscheidungsschaltung der Fliege. Jedes durchmischte Gehirn wurde nur einmal erzeugt. Die Autoren verstehen die Arbeit als Ausgangspunkt: als Weg, zu fragen, was ein gemessener Schaltplan aus eigener Kraft leisten kann, bevor reichere neuronale Dynamiken hinzukommen.