Die Welt der Insekten ist vielfältig und komplex, und ihre Gehirne sind faszinierende Forschungsgegenstände. Die Neurowissenschaft und Verhaltensbiologie widmen sich intensiv der Erforschung dieser kleinen Organe, um grundlegende Mechanismen des Lebens zu verstehen.
Forschung an der Taufliege: Ein Modellorganismus für die Neurowissenschaft
Am Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie der Universität Münster untersucht die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christian Klämbt seit vielen Jahren Taufliegen (Drosophila melanogaster). Diese kleinen Insekten eignen sich hervorragend, um grundlegende Mechanismen zu erforschen. Doktorandin Bente Winkler beschäftigt sich speziell mit Entzündungsprozessen im Gehirn der Taufliegen.
Warum die Taufliege?
„Taufliegen eignen sich hervorragend, um grundlegende Mechanismen zu erforschen“, betont Bente Winkler. Ihr Gehirn ist einfacher aufgebaut als das von Mäusen, und man kann mikroskopisch verhältnismäßig leicht beobachten, was sich im Gehirn der lebenden Fliege tut.“ Taufliegen sind zudem gut erforscht, und genetische Veränderungen lassen sich bei diesem Modellorganismus relativ einfach durchführen, um Hinweise auf die Funktion von Genen zu erhalten.
Die Zucht und Vorbereitung der Taufliegen
In den Laborräumen werden die Taufliegen in hunderten von Plastikröhrchen gezüchtet. Die Züchtung erfordert Fingerspitzengefühl und ein Stereomikroskop, um die Taufliegen erkennen und auswählen zu können. Die Vorbereitung der Taufliegen für die Fluoreszenzmikroskopie ist besonders anspruchsvoll.
Entzündungsprozesse im Gehirn
Die Entzündungsprozesse im Gehirn der Taufliegen, die Bente Winkler untersucht, kommen in ähnlicher Form auch beim Menschen vor. Normalerweise ist das Gehirn durch die Blut-Hirn-Schranke geschützt, aber Infektionen oder Erkrankungen können Entzündungen hervorrufen. Als Folge davon können Immunzellen, darunter Makrophagen, die Blut-Hirn-Schranke überwinden, um in das Gehirn einzudringen. Diese Immunantwort kann jedoch auch Schäden verursachen, wenn sie nicht richtig gesteuert wird.
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Molekulare Signale und Gliazellen
„Wir haben molekulare Signale identifiziert, welche die Makrophagen in das Gehirn eindringen lassen“, berichtet Bente Winkler. Nach einer Entzündung des Gehirns ist eine Aktivierung eines sogenannten NF-kappaB-Transkriptionsfaktors in Gliazellen nötig. Dadurch wird ein Signalprotein gebildet, welches das Eindringen der Makrophagen steuert. Gliazellen spielen nicht nur eine wichtige Kontrolle bei der Organisation der Immunantwort im Gehirn, sondern sie sind auch bei der Verschaltung von Nervenzellen während der frühen Gehirnentwicklung beteiligt.
Bedeutung der Forschung
„Die Entdeckung von Bente Winkler ist bedeutsam, auch im Hinblick auf die Untersuchung medizinischer Fragen“, unterstreicht Christian Klämbt. „Zum ersten Mal eröffnet sich die Möglichkeit, Drosophila als Modellorganismus für die Untersuchung dieser komplexen Immunreaktion zu nutzen.“
Ausblick
Mit Hilfe von hochmodernen Laser-Scanning-Mikroskopen möchte Bente Winkler in weiteren Studien die molekulare Signalkaskade, die die Makrophagen anlockt, entschlüsseln.
Gedächtnis und Entscheidungsfindung bei Insekten
Auch im übersichtlichen Gehirn der Fruchtfliege Drosophila können molekulare und zellbiologische Prinzipien zu elementaren Dingen wie Gedächtnisbildung oder Müdigkeit führen. Viele tägliche Entscheidungen hängen von unserem inneren Zustand ab, auch bei der Fliege.
Schmerzempfinden bei Insekten: Mehr als nur Reflexe?
Lange dachte man, Lebewesen ohne Neokortex können keinen Schmerz empfinden. Doch je genauer Forschende hinsehen, desto komplexer wird das Bild.
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Die Rolle von Nozizeptoren
Um Schmerzen empfinden zu können, benötigt ein Organismus ein zentrales Nervensystem und Schmerzrezeptoren (Nozizeptoren). Die meisten Insekten verfügen über keine Nozizeptoren.
Ausnahmen: Fruchtfliegen und Kakerlaken
Fruchtfliegen etwa haben Nozizeptoren. Als Forschende um Gregory Neely der University of Sydney Fruchtfliegen am Bein verletzten, fanden sie nicht nur, dass diese überempfindlich auf hohe Temperaturen reagierten. Sie fanden auch, dass diese Reaktion erhalten blieb, nachdem das Bein verheilt war. Fliegen empfinden nicht nur Schmerzen, sie haben auch, wie der Mensch, ein Schmerzgedächtnis, folgert Neely.Auch Kakerlaken zeigen Schmerzreaktionen. Bei ihnen werden die Schmerzsignale durch besondere Nervenstränge zu einem Nervenknoten im Kopf geleitet. Wenn man den entfernt, lässt die Schmerzreaktion der Tiere stark nach.
Chronische Schmerzen bei Insekten?
Selbst wenn eine Nervenverletzung schon lange verheilt ist, reagieren Insekten übersensibel auf Schmerzreize. „Die meisten Menschen halten Insekten nicht für fähig, überhaupt Schmerzen zu empfinden“, sagt Seniorautor Gregory Neely von der University of Sydney. Um das zu testen, haben die Forscher bei Fruchtfliegen zunächst einen Beinnerv verletzt und diesen dann heilen lassen. Um die Schmerzempfindlichkeit zu prüfen, wurde vor der Verletzung beobachtet, ab welcher Temperatur das Tier vor einer heißen Oberfläche zurückzuckt. Geschah dies vorher bei einer Temperatur von 42 Grad, schreckte sie nach der Verletzung bereits bei 38 Grad zurück. Hieraus wurde geschlussfolgert, dass schon harmlose Reize eine Schmerzreaktion hervorrufen können.
Andere Empfindungen und Bewusstsein
Auch Bienen können sich besser und schlechter fühlen. Andere Studien besagen, dass Fliegen ängstlich oder frustriert sein können. Lars Chittka, Verhaltensforscher an der Queen Mary University of London, ist überzeugt, dass Bienen und Hummeln über eine einfache Form von Bewusstsein und damit von Erleben verfügen müssen.
Die ethische Frage
Ob Lebewesen etwas empfinden können, hat Auswirkungen darauf, wie wir mit ihnen umgehen dürfen - oder sollte es zumindest haben. Das deutsche Tierschutzgesetz etwa schützt nur Wirbeltiere. Das könnte zu kurz greifen.
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Entwicklungsneurotoxizität: Die Auswirkungen von Chemikalien auf das Insektengehirn
Von zehntausenden Industriechemikalien, die uns im Alltag umgeben, könnten einige der Gehirnentwicklung schaden. Welche, ist weitgehend unbekannt, denn die Tests sind aufwändig und teuer.
Heuschreckenembryos als Testmodell
Der Biologe Gerd Bicker von der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover nutzt Heuschreckenembryos, um giftige Substanzen ausfindig zu machen, die die Entwicklung des menschlichen Gehirns negativ beeinflussen können. Auf Heuschreckenembryos setzen die Forscher, weil in ihnen Nervenbahnen nach ähnlichen Prinzipien wachsen wie in der menschlichen Hirnrinde, dem Ort des Denkens und Fühlens.
Die Methode
Mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskops und einer lasergestützten 3D-Bildgebung kann das Team entwicklungsneurotoxische Substanzen zu 83 Prozent korrekt erkennen. Da Experimente mit Heuschrecken vom deutschen Tierschutzgesetz nicht erfasst werden, gelten sie nicht als Tierversuche.
Die Notwendigkeit strengerer Regulierungen
Um Menschen besser vor gehirnschädigenden Chemikalien zu schützen, fehlt es bisher aber nicht nur an Testverfahren, sondern auch an Methoden zur Risikobewertung und vor allem an politischen Vorgaben. Tests zur neurotoxischen Wirkung von Chemikalien auf das sich entwickelnde Gehirn müssten verpflichtend werden und Chemikalien strenger reguliert, am besten international.
Die große Frage: Können Insekten Schmerzen empfinden?
Insekten sind mit etwa einer Million bislang beschriebener Arten die artenreichste Klasse des Tierreichs. Da ist es nicht erstaunlich, dass es auf die Frage, ob diese Tiere fühlen können, keine einheitliche Antwort gibt: Es gibt wohl Insekten mit und solche ohne Empfindungsfähigkeit. Wer auf der sicheren Seite sein will, sollte generell vermeiden, Tieren Schaden zuzufügen.
Verhaltensbezogene und physiologische Reaktionen
Es gibt konkrete Anhaltspunkte für Schmerzempfinden aufgrund verhaltensbezogener und physiologischer Reaktionen. Das Tier hat ein Nervensystem und Sinnesrezeptoren. Bei Schädigungen zeigt das Tier Abwehr- und Schutzreaktionen in Form von Zuckungen, Hinken, Reiben, Lautäußerungen, Fluchtversuchen. Das Tier verfügt über sogenannte Opioidrezeptoren. Das heißt, dass sich die Reaktion auf schädliche Reize nach Gabe von Schmerzmitteln verringert.
Nozizeption bei Wirbellosen
Bei Ringelwürmern, Weichtieren und Fadenwürmern wurden Nozizeptoren, die Rezeptoren für Schmerz, festgestellt, was dahin lenkt, dass sie eben doch zu Empfindungen fähig sind.
Das Experiment mit der Fruchtfliege
Ein Experiment, das in der Universität von Sydney (Australien) durchgeführt wurde, hat bewiesen, dass eine Fruchtfliege einen chronischen Schmerz entwickeln kann und auch zur Hypersensitivität fähig ist. Im Experiment wurde bei einer Fruchtfliege ein Bein-Nerv verletzt, um diesen dann heilen zu lassen. Um die Schmerzempfindlichkeit zu prüfen, wurde vor der Verletzung beobachtet, ab welcher Temperatur das Tier vor einer heißen Oberfläche zurückzuckt. Geschah dies vorher bei einer Temperatur von 42 Grad, schreckte sie nach der Verletzung bereits bei 38 Grad zurück. Hieraus wurde geschlussfolgert, dass schon harmlose Reize eine Schmerzreaktion hervorrufen können.
Die ethische Verantwortung
Ob es nun die Weichtiere sind oder die Insekten, ob sie ein ausgeprägtes Nervensystem haben oder nicht, es gibt niemandem das Recht, die Tiere zu töten oder gar zu quälen.