Die Welt der Gefühle und Empfindungen ist nicht nur uns Menschen vorbehalten. Auch Tiere, einschließlich Insekten, besitzen Mechanismen, um ihre Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Obwohl die Forschung bei Insekten noch nicht so weit fortgeschritten ist wie bei anderen Tiergruppen, gibt es deutliche Anzeichen dafür, dass auch sie in der Lage sind, etwas zu fühlen. Dieser Artikel beleuchtet die Gehirnanatomie von Insekten, insbesondere Eintagsfliegen, und untersucht, inwieweit sie über die notwendigen Strukturen verfügen, um Schmerz und Emotionen zu empfinden.
Gefühle und Schmerzempfinden im Tierreich
Wir Menschen erleben eine breite Palette von Gefühlen, von Freude und Liebe bis hin zu Angst und Wut. Schmerzen dienen uns als wichtiger Indikator dafür, wenn etwas im Körper nicht stimmt. Auch in der Tierwelt sind Gefühle und Schmerzempfinden nachgewiesen. Goldfischen wird beispielsweise ein Gedächtnis und die Fähigkeit zugesprochen, Erfahrungen in positiv und negativ zu unterteilen. Bei anderen Tierarten wurde Trauer um verstorbene Artgenossen beobachtet.
Die Sinneswelten der Insekten
Unabhängig von Gefühlen und Schmerzempfinden haben Insekten Sinne, von denen wir Menschen nur träumen können. Sie können sich beispielsweise besser orientieren und untereinander kommunizieren. Einige Insekten besitzen einen Magnetsinn, mit dem sie sich während ihres Flugs am Magnetfeld der Erde orientieren können. Bienen können Pheromone riechen, die von Königinnen abgegeben werden, und sich über Vibrationsfrequenzen verständigen. Papierwespen können einzelne Artgenossen am Gesicht erkennen und so Beziehungen zueinander pflegen. Andere Insekten sehen ultraviolettes Licht oder hören Töne im Ultraschallbereich. Ameisen sind in der Lage, komplexe Probleme zu lösen, was in ihrem riesigen Staat, der Aufgabenverteilung und Koordination erfordert, unerlässlich ist. Stubenfliegen gehören zu den besten Fliegern im Insektenreich und können im Flug schnell ihre Richtung wechseln.
Das Nervensystem der Fruchtfliege als Modell
Um die Gehirnanatomie von Insekten besser zu verstehen, betrachten wir das Nervensystem der Fruchtfliege Drosophila melanogaster genauer. Das Gehirn der Fruchtfliege ist mit einer Seitenlänge von nur 250 Mikrometern zwar winzig, aber dennoch erstaunlich leistungsfähig. Es besteht aus 100.000 bis 200.000 Neuronen und ist unterschiedlich ausgestattet, je nachdem, ob sich die Fliege noch im Larvenstadium befindet oder schon erwachsen ist.
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 wichtig für das Lernen. Es liegt über dem Schlund und entspricht in seiner Funktion etwa dem Gehirn bei Wirbeltieren.
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Die Funktion des Pilzkörpers im Fliegenhirn
Eine besondere Bedeutung im Gehirn der Fruchtfliege hat der Pilzkörper. Er ist wichtig für das Duft-Lernen und spielt eine maßgebliche Rolle bei der Übersetzung von Sensorik in Motorik. Der Pilzkörper ist an der Entscheidung beteiligt, wie sich ein Tier verhält.
Für das Lernen ist das Sparse-Coding (spärliche Codierung) sehr wichtig, insbesondere die räumliche Spärlichkeit. Die Geruchsinformation wird in ein paar hundert Neuronen im Antennenlappen kodiert, die alle angesichts des Geruchs aufblinken. Dieser Geruchscode wird dann in den Pilzkörper projiziert und trifft dort auf 4.000 Kenyon-Zellen, von denen aber pro Geruch nur ein paar aktiv werden.
Die Kenyon-Zellen bilden sehr viele Synapsen mit Ausgangsneuronen des Pilzkörpers. Diese Synapsen verändern sich, wenn etwa auf einen Duft eine Belohnung wie Zuckerwasser folgt. Neben der räumlichen gibt es auch eine zeitliche Spärlichkeit. Die Kenyon-Zellen sind nur rund 50 bis 100 Millisekunden aktiv, und auch nur dann, wenn sich die Duftintensität ändert.
Experimentelle Forschung an Fruchtfliegen
Fruchtfliegen sind experimentell besonders zugänglich. Ihre Gene lassen sich in einzelnen Gewebe- oder Zelltypen gezielt aktivieren, blockieren oder in ihrer Funktion verändern. Auch die Aktivität einzelner Zellen oder Moleküle lässt sich im lebenden Tier gut manipulieren und beobachten. Fliegen eignen sich daher gut für die Untersuchung molekularer und zellulärer Mechanismen.
Im Gehirn der Fliege vereint der Pilzkörper auf kompaktem Raum wichtige Funktionen, die im menschlichen Gehirn auf unterschiedliche Regionen verteilt sind: die Integration von Sinneseindrücken, die Bildung und Speicherung von Erinnerungen und eine Entscheidungszentrale zur Verhaltenssteuerung. Im Pilzkörper lässt sich daher besonders gut integrativ untersuchen, wie Moleküle, Nervenzellen und Netzwerke zusammenwirken, um situations- und erfahrungsabhängiges Verhalten hervorzubringen.
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Die Thermoregulation der Drosophila-Larve
Ein internationales Wissenschaftlerteam entdeckte erstmals den Mechanismus der Informationsaufnahme von Temperaturveränderungen und das daraus resultierende Verhalten anhand der Drosophila-Larve. Die Forschenden beschreiben neue temperaturaktivierte sensorische Neuronen und Moleküle in der Drosophila-Larve.
Sie beschreiben erstmals eine temperaturabhängige Kreuzhemmung zwischen gegensätzlichen sensorischen Neuronen, die durch Erwärmung und Abkühlung aktiviert werden und die Larve effizient zu ihrem homöostatischen thermischen Sollwert treiben und ihr helfen, dort zu bleiben. Dies unterscheidet sich deutlich von der weitverbreiteten Ansicht einer sogenannten „labeled line“, nach der die Thermoregulation durch zwei getrennte Mechanismen erreicht wird: erstens durch ein System, das Kälte erkennt, und zweitens durch ein System, das Wärme erkennt. Stattdessen stellen die Forschenden fest, dass in der Larve beide Klassen von Wärmesensoren zusammenwirken und eine wichtige Rolle spielen, egal ob die Temperatur steigt oder fällt. Es gibt also kein unabhängiges Wärme- und Kältesystem, sondern nur ein verbundenes System.
Lernen und Gedächtnis bei Fliegen
Fliegen können lernen, sich auf einen bestimmten Geruch hinzubewegen oder sich von ihm abzuwenden. Die Verknüpfung von Gerüchen und Verhaltensweisen entsteht im Pilzkörper der Fliege. In einer Reihe von Studien identifizierten Hiromu Tanimoto und Kollegen systematisch die neuronalen Verbindungen im Pilzkörper der Fliege. Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchungen im Pilzkörper war, dass einige der Nervenzellen über den Botenstoff Dopamin kommunizieren. In verschiedenen Untersuchungen konnte belegt werden, dass Dopamin ausreicht, um einen Bestrafungsreiz (Stromimpuls) mit einem bestimmten Geruch zu verbinden.
Die Bedeutung der Forschung an Insekten für das Verständnis des Gehirns
Die Forschung an Insekten, insbesondere an der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, hat in den letzten Jahrzehnten wichtige Erkenntnisse über die Funktionsweise des Gehirns geliefert. Obwohl das Gehirn der Fliege viel kleiner und einfacher aufgebaut ist als das menschliche Gehirn, gibt es überraschende Ähnlichkeiten in der Struktur und Funktion von Nervenzellen und neuronalen Netzwerken.
Die experimentelle Zugänglichkeit der Fruchtfliege ermöglicht es Forschern, molekulare und zelluläre Mechanismen zu untersuchen, die beim Menschen nur schwer zugänglich sind. Die Ergebnisse dieser Forschung tragen dazu bei, unser Verständnis von Lernprozessen, Gedächtnisbildung und Verhaltenssteuerung zu verbessern. Darüber hinaus können sie auch dazu beitragen, neue Therapien für neurologische Erkrankungen zu entwickeln.
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Eintagsfliegen: Kurzes Leben, komplexe Sinne
Eintagsfliegen sind bekannt für ihr kurzes Leben, das oft nur wenige Stunden oder Tage dauert. Trotz ihrer kurzen Lebensspanne verfügen sie über hochentwickelte Sinne und Verhaltensweisen, die für ihr Überleben und ihre Fortpflanzung unerlässlich sind.
Es gibt Einigkeit darüber, dass "Insekten über alle anatomischen Strukturen verfügen, die nötig sind, um Schmerz zu empfinden." Studien belegen die Sensibilität von Insekten. Allerdings gibt es auch Beobachtungen, dass Bienen ein gebrochenes Bein genauso belasten wie ein gesundes, und Heuschrecken, die von einer Gottesanbeterin verspeist werden, mit ihrem Vorderteil einfach weiterfressen.
Die Frage nach dem Bewusstsein bei Insekten
Ob Insekten tatsächlich ein Bewusstsein haben, ist eine Frage, die noch nicht abschließend beantwortet werden kann. Bewusstsein ist ein komplexes Phänomen, das schwer zu definieren und zu messen ist. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass Insekten zumindest in der Lage sind, ihre Umwelt wahrzunehmen und auf sie zu reagieren.
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