Das Gehirn der Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist trotz seiner geringen Größe von etwa 250 Mikrometern ein faszinierendes Forschungsgebiet. Es ermöglicht es den Forschern, grundlegende Mechanismen des Lernens, des Gedächtnisses und der Verhaltenssteuerung zu untersuchen. Die Fähigkeit von Fliegen, sich auf bestimmte Gerüche zuzubewegen oder sich von ihnen abzuwenden, macht sie zu einem idealen Modellorganismus, um zu verstehen, wie das Gehirn Sinneseindrücke verarbeitet und in Verhalten umwandelt.
Gedächtnis und Lernen bei Fruchtfliegen
Fruchtfliegen sind in der Lage, Gerüche mit positiven oder negativen Ereignissen zu verknüpfen. Wenn ein Geruch mit einer Zuckerbelohnung angeboten wird, lernen die Fliegen, sich auf diesen Geruch zuzubewegen. Wird der Geruch jedoch mit einem Stromimpuls als Bestrafung kombiniert, vermeiden die Tiere die Geruchsquelle. Dieses assoziative Gedächtnis entsteht durch die Vernetzung von Nervenzellen im Gehirn.
Der Pilzkörper: Ein Zentrum für Geruchsassoziationen
Der Pilzkörper ist eine paarige Struktur im Zentralhirn von Insekten, in der geruchsassoziierte Erinnerungen entstehen. Durch die Identifizierung transgener Fliegenstämme, in denen einzelne Nervenzellen und ihre Verbindungen im Pilzkörper durch Fluoreszenzproteine markiert werden, konnten Forscher die neuronalen Verbindungen im Pilzkörper der Fliege systematisch untersuchen.
Dopamin als Botenstoff für Vermeidungsverhalten
Dopamin spielt eine wichtige Rolle bei der Verknüpfung von Bestrafungsreizen mit bestimmten Gerüchen. Die Aktivierung oder Inaktivierung einzelner Dopamin-ausschüttender Nervenzellen im Pilzkörper ermöglichte es Forschern, eine kleine Zellgruppe zu identifizieren, die den negativen Eindruck des Stromimpulses transportiert. Waren diese Nervenzellen inaktiviert, konnten die Fliegen keine Assoziation zwischen Geruch und Bestrafung herstellen und zeigten somit kein Vermeidungsverhalten.
Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis
Das Geruchsgedächtnis der Fruchtfliegen setzt sich aus unterschiedlich stabilen Komponenten zusammen. Ein labiler Gedächtnisanteil, der experimentell ausgeschaltet werden kann, wird durch Dopamin-ausschüttende Nervenzellen vermittelt. Diese Nervenzellen befinden sich in einer bestimmten Region innerhalb des Pilzkörpers, was darauf hindeutet, dass hier das assoziative Gedächtnis entsteht.
Lesen Sie auch: Konnektom des erwachsenen Drosophila Gehirns
Die Rolle von Synapsin und Bruchpilot
Die Proteine Synapsin und Bruchpilot regulieren die Ausschüttung von Botenstoffen an den Synapsen des Pilzkörpers. Die Inaktivierung des Proteins Synapsin beeinträchtigt ausschließlich die Bildung des Kurzzeitgedächtnisses, während das Langzeitgedächtnis unbeeinflusst bleibt. Dies deutet darauf hin, dass kurzlebige Erinnerungen auf Synapsin basieren.
Zeitliche Aspekte der klassischen Konditionierung
Die Zeitspanne zwischen einem Geruch und einem Stromimpuls ist entscheidend für den Lernerfolg bei der klassischen Konditionierung. Die Fliegen lernen, den Geruch mit dem negativen Erlebnis zu verknüpfen und ihn fortan zu meiden. Interessanterweise können Fliegen den Geruch auch mit dem Ende der Bestrafung verknüpfen und sich ihm zuwenden. Darüber hinaus können Fliegen Gerüche auch dann mit einem Stromimpuls verknüpfen, wenn dieser zeitverzögert einsetzt. Diese Kurzspeicherung von Sinnesreizen wird als "Reizspur" bezeichnet.
Aufbau und Funktion des Drosophila-Gehirns
Das Gehirn der Fruchtfliege ist trotz seiner geringen Größe bemerkenswert komplex. Es besteht aus etwa 100.000 bis 200.000 Neuronen und ist in verschiedene funktionelle Bereiche unterteilt.
Das Zentralnervensystem
Das Zentralnervensystem der erwachsenen Fliege besteht aus einem Oberschlundganglion, einem Unterschlundganglion, einem ventralen Nervenstrang und dem stomatogastrischen Nervensystem. Das Oberschlundganglion ist der größte Nervenknoten und entspricht in seiner Funktion dem Gehirn bei Wirbeltieren. Es ist wichtig für das Lernen und die Verarbeitung von Sinnesinformationen.
Das Protocerebrum
Das Protocerebrum ist das Verarbeitungszentrum aller höheren Sinnesfunktionen und das Steuerzentrum der meisten komplexeren Verhaltensweisen. Hier befinden sich auch die optischen Loben, die für die visuelle Verarbeitung zuständig sind, sowie der Pilzkörper, der eine besondere Bedeutung für das Duft-Lernen hat.
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
Sparse-Coding im Pilzkörper
Das Sparse-Coding, insbesondere die räumliche Spärlichkeit, spielt eine wichtige Rolle beim Lernen im Pilzkörper. Die Geruchsinformation wird zunächst in wenigen hundert Neuronen im Antennenlappen kodiert und dann in den Pilzkörper projiziert, wo sie auf etwa 4.000 Kenyon-Zellen trifft. Pro Geruch werden jedoch nur wenige dieser Kenyon-Zellen aktiv. Diese Kenyon-Zellen bilden wiederum Synapsen mit Ausgangsneuronen des Pilzkörpers, die sich verändern, wenn auf einen Duft eine Belohnung folgt.
Zeitliche Spärlichkeit
Neben der räumlichen Spärlichkeit gibt es auch eine zeitliche Spärlichkeit. Während Neurone im Antennenlappen ein bis zwei Sekunden für die Duftcodierung brauchen, sind die Kenyon-Zellen nur rund 50 bis 100 Millisekunden aktiv. Dies ermöglicht es den Fliegen, schnell auf kurze Dufteindrücke zu reagieren.
Der ventrale Nervenstrang
Der ventrale Nervenstrang entspricht dem Rückenmark bei Wirbeltieren und ist für die Steuerung komplexer motorischer Programme verantwortlich. Enthauptete Fruchtfliegen können immer noch laufen und sich putzen, da die Schaltkreise des ventralen Nervenstrangs diese Funktionen ohne Gehirnsteuerung ausführen können.
Das stomatogastrische Nervensystem
Das stomatogastrische Nervensystem versorgt Mundhöhle, Vorderdarm und bestimmte Hormondrüsen und ist wichtig für die Futteraufnahme und Verdauung.
Das Konnektom der Fruchtfliege: Eine detaillierte Karte des Gehirns
Ein Konnektom ist eine vollständige Kartierung der synaptischen Verbindungen zwischen Nervenzellen. Die Erstellung des Konnektoms der Fruchtfliege ist ein Meilenstein in der Erforschung von Nervensystemen, da es sich um den bisher größten jemals erstellten Gehirnschaltplan handelt.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Das Virtual Fly Brain
Das Virtual Fly Brain (VFB) ist ein ambitioniertes Projekt, das darauf abzielt, ein vollständiges Gehirn eines Lebewesens zu kartieren und öffentlich für die Forschung zugänglich zu machen. Das Konnektom der Drosophila umfasst gut 128.000 Neuronen mit 16,5 Millionen synaptischen Verbindungen, die im VFB annotiert vorliegen. Das VFB ermöglicht es, die Neuroanatomie der Drosophila Melanogaster online zwei- und dreidimensional zu erkunden und Verhaltensweisen wie die Navigation im Raum oder Nahrungssuche zu simulieren.
FlyWire-Konsortium
Das FlyWire-Konsortium hat die erste vollständige Kartierung des Konnektoms des erwachsenen Drosophila-Gehirns erstellt. Das Projekt basierte auf Elektronenmikroskopie-Bildern, die mit neuen Bildgebungstechnologien aufgenommen wurden. Das FlyWire-Team entwickelte Methoden zur präzisen Ausrichtung der Bilder und nutzte maschinelles Sehen, um einzelne Neuronen automatisch zu rekonstruieren.
Erkenntnisse aus dem Konnektom
Das Konnektom der Fruchtfliege gibt Einblicke, wie Informationen im Gehirn verarbeitet und in Verhalten umgewandelt werden. Einige dieser Prinzipien sind wahrscheinlich im menschlichen Gehirn ähnlich organisiert.
Vergleich von weiblichen und männlichen Konnektomen
Durch den Vergleich von weiblichen und männlichen Konnektomen wurden Unterschiede zwischen den Geschlechtern festgestellt. So wurden Nervenzellen gefunden, die nur explizit bei einem Geschlecht vorhanden sind. Unter anderem wurde eine bestimmte weibliche Nervenzelle entdeckt, die dafür sorgt, dass Weibchen ihren Unterleib bei der Eiablage strecken.
Die Bedeutung von Abkürzungen und Schleifen
Das Verdrahtungsdiagramm des Gehirns der Fruchtfliege zeigt, dass es sehr komplex ist und unterschiedlich lange Bahnen hat, die Eingänge und Ausgänge des Gehirns miteinander verbinden. Einige der Hirnnetzwerke weisen Abkürzungen auf, bei denen Schichten übersprungen werden. Die Autoren vermuten, dass solche Abkürzungen die Rechenkapazität des Gehirns erhöhen und die begrenzte Anzahl von Neuronen kompensieren. Das Team fand außerdem heraus, dass 41 Prozent der Neurone im Gehirn »rekurrente Schleifen« bilden, die Rückmeldungen an ihre vorgelagerten Partner geben.
Benennung von Hirnregionen
Um die Kommunikation und den Wissensaustausch innerhalb der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft zu erleichtern, ist eine allgemeinverbindliche Benennung der Hirnregionen von Insekten unerlässlich. Shinomiya & al. haben in der Fachzeitschrift „Neuron“ eine Nomenklatur für das Insektengehirn vorgeschlagen.
tags: #drosophila #adultes #gehirn #mit #bezeichnungen