Das Gehirn ist ein komplexes Organ, das bei Mensch und Tier eine Vielzahl von Funktionen steuert. Auch Larven, die Jugendstadien vieler Insekten, verfügen über ein Gehirn, das ihnen ermöglicht, in ihrer Umwelt zu interagieren und zu überleben. Obwohl das Gehirn von Larven im Vergleich zu dem von erwachsenen Insekten oder gar dem menschlichen Gehirn relativ einfach aufgebaut ist, ist es dennoch in der Lage, erstaunliche Leistungen zu vollbringen.
Die Struktur des Larvengehirns
Das Gehirn von Insektenlarven besteht aus Hunderttausend bis einer Million Nervenzellen. Das menschliche Gehirn besteht aus 86 Milliarden Nervenzellen. Diese Nervenzellen sind miteinander verknüpft und bilden neuronale Schaltkreise, die für die Steuerung von Verhalten und Sinneswahrnehmung verantwortlich sind. Das Zentralnervensystem der erwachsenen Fliege besteht aus einem Oberschlundganglion, einem Unterschlundganglion, einem ventralen Nervenstrang und dem stomatogastrischen Nervensystem. Das Oberschlundganglion ist der größte Nervenknoten (Ganglion) des zentralen Nervensystems und wichtig für das Lernen. Es liegt über dem Schlund und entspricht in seiner Funktion etwa dem Gehirn bei Wirbeltieren. Das stomatogastrische Nervensystem versorgt Mundhöhle, Vorderdarm und bestimmte Hormondrüsen und ist wichtig für die Futteraufnahme und Verdauung.
Die Entwicklung des Larvengehirns
Die Entwicklung des Gehirns beginnt bereits im Embryo. In vielen Tieren vervollständigt es sich erst nach der Geburt. Ein Forscherteam der Universität Göttingen hat herausgefunden, dass Käferlarven anfangen ihr Hirn zu benutzen, obwohl es noch eine Baustelle ist. Die Biologinnen und Biologen verglichen die Entwicklung des Gehirns von Fliegen und Käfern und nahmen dabei den so genannten „Zentralkomplex“ ins Visier - eine Struktur im Gehirn, die Insekten für ihre Orientierung in der Umwelt benötigen. Mit gentechnischen Methoden und Genom-Editierung markierten sie zunächst die gleiche kleine Gruppe von Nervenzellen sowohl in der Fruchtfliege als auch im Mehlkäfer. Damit konnten sie die Entwicklung dieser Zellen vom Embryo bis zum erwachsenen Tier unter dem Mikroskop verfolgen und die Entwicklung zwischen den Tierarten vergleichen.
Schon vor diesen Untersuchungen war bekannt, dass sich ein Teil des Zentralkomplexes bereits in der Käferlarve herausbildet, während er in Fliegen erst im erwachsenen Tier entsteht. Man dachte, dass die Entwicklung dieses Teils komplett vorgezogen wurde, um der Käferlarve das Laufen zu ermöglichen - Fliegenmaden brauchen diesen Teil nicht, da sie keine Beine haben. Zu ihrer Überraschung fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aber, dass dieser Teil des Gehirns in der Käfer-Larve anfängt zu arbeiten, obwohl er noch nicht so ausgereift ist, wie im erwachsenen Tier. Ganz im Gegenteil - die Struktur entspricht eher einem embryonalen Entwicklungsstadium, das man von anderen Insekten kennt. Der Unterschied ist, dass in der Käferlarve die Nervenzellen dieser Hirn-Baustelle bereits Verbindungen eingehen, womit sich die Larve vermutlich in ihrer Umgebung orientiert.
Die Fähigkeiten des Larvengehirns
Obwohl das Gehirn von Larven relativ einfach aufgebaut ist, sind sie zu erstaunlichen Verhaltensleistungen fähig. So können Larven beispielsweise:
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- Sich in ihrer Umgebung orientieren: Larven können sich in ihrer Umgebung orientieren und gezielt auf Nahrungsquellen zusteuern. Dies wird durch Sinnesorgane ermöglicht, die sich auf der Körperoberfläche der Larve befinden und Informationen über Gerüche, Geschmäcker und Temperatur an das Gehirn weiterleiten.
- Lernen und sich erinnern: Larven können lernen, bestimmte Gerüche mit Nahrungsquellen zu assoziieren und sich diese Assoziationen merken. Dies ermöglicht es ihnen, in Zukunft schneller und effizienter nach Nahrung zu suchen. Die nur drei Millimeter großen Maden der Taufliege Drosophila können durch Erfahrung lernen, dass ein bestimmter Geruch zuckerhaltige Nahrung verspricht, ein anderer Duft dagegen nicht. Sie behalten das im Gedächtnis. "Wenn sie den ersteren Duft später erneut riechen, werden sie sich daran erinnern, dass er das Vorhandensein von süßem Futter signalisiert", sagt der Biologe Bertram Gerber.
- Fluchtverhalten zeigen: Larven können auf Bedrohungen reagieren und Fluchtverhalten zeigen. Wenn sich beispielsweise parasitäre Schlupfwespen nähern, die ihre Eier in die Larven legen wollen, machen die Larven eine Rollbewegung seitwärts, um zu verhindern, dass die Wespe sie stechen kann. „Die Steuerung dieser Fluchtreaktion ist im Larvengehirn in einem einfachen Schaltkreis fest verdrahtet", so Klämbt.
- Entscheidungen treffen: Larven können Entscheidungen treffen, die auf einer Bewertung der aktuellen Situation basieren. Sie prüfen nämlich zuerst einmal, in welcher Situation sie sich gerade befinden und ob es ihnen in dieser Lage überhaupt einen Vorteil bringt, sich zum Duft hinzubewegen. Sitzen die Larven zu diesem Zeitpunkt ohnehin schon auf einem Haufen süßen Futters, werden sie keinen Schritt in Richtung Zuckerduft tun. "Die Larven setzen die Informationen aus ihrem Gedächtnis nur dann in Verhalten um, wenn ihnen das etwas bringt. Sie streben sozusagen nach Gewinn", bringt Gerber die Sache auf den Punkt.
Forschungsmethoden zur Untersuchung des Larvengehirns
Die Erforschung des Larvengehirns ist ein wichtiger Bereich der neurowissenschaftlichen Forschung. Um die Struktur und Funktion des Larvengehirns besser zu verstehen, werden verschiedene Forschungsmethoden eingesetzt. Dazu gehören:
- Gentechnische Methoden: Mit gentechnischen Methoden können bestimmte Nervenzellen im Gehirn von Larven markiert und ihre Entwicklung und Funktion verfolgt werden.
- Mikroskopie: Hochauflösende Mikroskopie ermöglicht es, die Struktur des Larvengehirns детально zu untersuchen und die Aktivität einzelner Nervenzellen zu beobachten. In einem interdisziplinären Projekt entwickelten Wissenschaftler im Forschungsschwerpunkt „Infektionen und Wirkstoffe“ der Technischen Universität Braunschweig eine Art Parkgarage für Zebrafischlarven kombiniert mit hochauflösender Mikroskopie. Um die Gehirne von Zebrafischen besser untersuchen und verstehen zu können, entwickelten Dr. Kai Mattern und Professor Andreas Dietzel vom Institut für Mikrotechnik (IMT) eine winzige Parkgarage mit einer Gegenstromanlage. Hier können die Tiere kurzzeitig in Wasser festgehalten werden. Das Besondere an dieser Kammer ist, dass sie vollständig aus optisch hochwertigem Glas besteht. Dieses haben die Wissenschaftler Schicht für Schicht mit einem Ultrakurzpulslaser abgetragen und dabei als „Mikro-Bildhauer“ nicht nur Kammern, sondern auch winzige Strömungskanäle in das Innere des Glases eingraviert.
- Verhaltensstudien: Verhaltensstudien ermöglichen es, die Fähigkeiten des Larvengehirns zu untersuchen und zu verstehen, wie Larven auf verschiedene Reize reagieren.
- Biochemische Verfahren: Ein Team des Leibniz-Instituts für Neurobiologie Magdeburg (LIN) hat ein Verfahren entwickelt, um die ganze Larve zu durchleuchten und deren Nervenzellen - von Kopf bis Fuß sozusagen - in ihrer Gesamtheit darzustellen. Um die ganze Larve mit all ihren Nervenzellen mikroskopisch darstellen zu können, musste ein Verfahren entwickelt werden, das die feste Chitinhülle durchlässig macht. Dem Magdeburger Team ist es gelungen, das Verfahren so zu optimieren, dass bei Larven das Nervensystem durch fluoreszierende Markierungen in Gänze sichtbar gemacht werden kann.
Die Bedeutung der Forschung zum Larvengehirn
Die Forschung zum Larvengehirn ist von großer Bedeutung, da sie uns hilft, die grundlegenden Prinzipien der Gehirnfunktion zu verstehen. Darüber hinaus kann die Forschung zum Larvengehirn dazu beitragen, neue Therapien für neurologische Erkrankungen zu entwickeln.
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