Die Fliege in der Matrix

Die Idee ist bekannt aus futuristischen Serien und Filmen: Ein Gehirn wird digitalisiert und lebt in einer virtuellen Welt weiter. Beim Menschen liegt das noch in weiter Ferne. Bei einer Fruchtfliege ist nun aber ein erster, erstaunlicher Schritt in diese Richtung gelungen.

Was das Startup Eon Systems Anfang März 2026 präsentierte, war mehr als nur eine Animation: eine virtuelle Fruchtfliege, deren Verhalten von einer digitalen Kopie ihres Gehirns gesteuert wird. Dieser Meilenstein der Neuroinformatik – der erste vollständige «Gehirn-Upload» eines vielzelligen Lebewesens – bringt uns dem Verständnis näher, wie neuronale Schaltkreise Verhalten hervorbringen. Und er wirft die Frage auf, ob sich ein solcher Ansatz jemals auf den Menschen übertragen lässt.

Die Kartierung des Fliegengehirns

Die Grundlage dafür lieferte das Mammutprojekt «FlyWire»: eine internationale Kollaboration von Hunderten Forschenden, die das Gehirn der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) kartiert haben. Das Projekt startete 2019 und nutzte eine Kombination aus moderner Bildgebung, künstlicher Intelligenz (KI) und menschlichem Proofreading: 21 Millionen Elektronenmikroskopie-Bilder des Gehirns einer weiblichen erwachsenen Fruchtfliege wurden mithilfe von KI zu einer ersten dreidimensionalen «Gehirnkarte» zusammengesetzt. Diese Karte wurde anschliessend von einer offenen FlyWire-Community aus Wissenschaftler:innen und Citizen Scientists (freiwillige, wissenschafts-interessierte Laien) im Detail überprüft und korrigiert.

Die daraus entstandene «Gehirnkarte», das sogenannte Konnektom, aus 140'000 Neuronen und über 50 Millionen Synapsen stellt eine vollständige Karte der Verbindungen zwischen den Nervenzellen im Gehirn dieser Fruchtfliege dar. Es handelt sich damit um das erste vollständige rekonstruierte Gehirn eines aktiv beweglichen Tieres. Die Daten wurden 2024 in der Fachzeitschrift Nature publiziert und sind öffentlich zugänglich.

Vom Datenberg zum Leben in der Simulation

Doch eine Karte allein bringt noch keine Fliege zum Laufen. Eon Systems nutzte diese Fliegen-Gehirnkarte und setzte darauf ein einfaches Neuronenmodell an: das sogenannte «Leaky-Integrate-and-Fire» (LIF). LIF ist ein mathematisches Modell, das stark vereinfacht beschreibt, wie Nervenzellen Signale aufnehmen (integrate), einen Teil ihrer Spannung wieder verlieren (leaky) und ab einem bestimmten Schwellenwert ein elektrisches Signal abfeuern (fire). Das Fliegengehirn hatte also ein «Betriebssystem» erhalten. Nun fehlte nur noch der passende Körper.

Eon Systems verband das digitale Fliegengehirn mit NeuroMechFly, einem physikalisch realistischen, virtuellen Fliegenkörper, der in der Simulationsumgebung MuJoCo* läuft. In dieser digitalen Welt wirken Gravitation, Reibung und Kräfte ähnlich wie in der Realität – die Fliege lebt gewissermassen in ihrer eigenen kleinen Matrix.

Das Ergebnis ist verblüffend: Die virtuelle Fliege führte selbständig typische Aktivitäten wie Laufen, Fressen und Putzen aus - nur gesteuert durch die digital rekonstruierte Gehirnaktivität. Dabei reagierte sie auf Umweltreize wie fiktiven Staub oder simulierte Geschmacksreize, die sie zum Putzen veranlassten oder zu einer Nahrungsquelle lenkten. Aus einer statischen Gehirnkarte wurde so ein System, das in einer digitalen Umwelt tatsächlich etwas «tut».

Die Grenzen und das Potenzial der digitalen Fliege

Trotz der erstaunlichen Erfolge ist diese Fliege noch weit entfernt von einem Bewusstsein. Das genutzte LIF-Modell ist zu simpel, um komplexe Funktionen wie Lernen oder Emotionen nachzubilden. Die Simulation ist eher ein funktionaler Rohbau als ein vollständiger Nachbau aller Feinheiten des Nervensystems. Zudem wurde bisher nur das zentrale Nervensystem, also das Gehirn selbst, kartiert – jedoch nicht das periphere Nervensystem im Fliegenkörper. Langfristig wollen die Forschenden deshalb den gesamten Organismus erfassen.

Gerade in dieser Simplizität liegt aber auch der Wert solcher Modelle: Sie können helfen, das Gehirn besser zu verstehen, Krankheiten des Nervensystems genauer zu untersuchen und sogar biologische Prinzipien für künftige KI-Systeme nutzbar zu machen. Die zentrale Idee ist, dass sich mit der Architektur eines Nervensystems womöglich auch Teile seiner Funktionsweise nachbilden lassen.

Können wir bald mit dem Upload des menschlichen Gehirns rechnen?

Eon Systems arbeitet bereits an Mäusegehirnen und plant langfristig auch Versuche mit menschlichen Gehirnen. Bis zu einem Upload beim Menschen dürfte es jedoch noch lange dauern: Eine vollständige Karte des menschlichen Gehirns mit seinen rund 86 Milliarden Neuronen und etwa 100 Billionen Synapsen existiert bislang nicht; ihre Erstellung würde Datenmengen, Rechenleistung und Präzision in einem heute kaum erreichbaren Ausmass verlangen. Zwar kartiert das Human Connectome Project bereits seit Jahren die Verbindungen im menschlichen Gehirn, allerdings auf makroskopischer Ebene – also die grossen Faserbahnen und Netzwerke, nicht jedoch einzelne Nervenzellen und Synapsen.

Eine digitale Nachbildung des menschlichen Gehirns bleibt damit vorerst unerreicht - auch wenn im Silicon Valley vermutlich bereits an der nächsten Stufe der digitalen Ewigkeit getüftelt wird. Bis dahin bleibt die Fruchtfliege das bislang kleinste Versuchsmodell einer grossen digitalen Vision.  

*MuJoCo steht für «Multi-Joint dynamics with Contact». Es ist eine Physik-Engine für Simulationen, die zur Berechnung von Bewegungen in mehrgelenkigen Systemen sowie von Berührungen zwischen Körpern verwendet wird. Die Software wird unter anderem in Robotik, Biomechanik und maschinellem Lernen eingesetzt und simuliert, wie sich virtuelle Körper unter dem Einfluss von Kräften, Gravitation, Reibung und Kollisionen bewegen.

Quellen:

Dorkenwald, S. et al. Neuronal wiring diagram of an adult brain. Nature 634, 124–138 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07558-y

https://eon.systems/updates

https://flywire.ai/

https://neuromechfly.org/index.html

https://mujoco.readthedocs.io/en/stable/overview.html

https://www.startbase.de/news/startup-eon-systems-demonstriert-erste-multi-verhaltensfaehige-gehirn-emulation/

https://www.humanconnectome.org/

Text: Josefine Meier, M.Sc.