Nervenzelle der Fliege: Aufbau und Funktion

Unsicherheit ist allgegenwärtig, doch während wir Menschen uns von einem kleinen Windstoß kaum aus der Bahn werfen lassen, kann eine Fruchtfliege dadurch leicht vom Kurs abkommen. Um ihre Bewegungen zu kontrollieren, nutzen sowohl Wirbeltiere als auch Insekten den sogenannten "optischen Fluss". Dieser entsteht, wenn sich die Umwelt relativ zu den Augen bewegt. Im Fliegenhirn spielen dabei drei große HS-Zellen in jeder Hirnhälfte eine entscheidende Rolle.

Die Rolle der HS-Zellen bei der Bewegungssteuerung

Die HS-Zellen reagieren auf großflächige, horizontale Bewegungen. Bei Bewegungen in ihre bevorzugte Richtung depolarisieren sie, was in der Regel eine vermehrte Ausschüttung von Neurotransmittern zur Folge hat. Bewegungen in die Gegenrichtung führen hingegen zur Hyperpolarisation der Zellen.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sowohl Depolarisation als auch Hyperpolarisation der HS-Zellen eine Drehung der Fliege einleiten können. Durch diese doppelte Funktion können die HS-Zellen die Beine auf der einen oder anderen Körperseite abbremsen. Registriert eine HS-Zelle eine Bewegung in ihre bevorzugte Richtung, verlangsamt sich durch ihre Aktivität die Laufgeschwindigkeit der Beine auf der gleichen Körperseite. Hyperpolarisiert die Zelle jedoch bei einer Bewegung in die Gegenrichtung, werden die Beine auf der gegenüberliegenden Körperhälfte langsamer.

Um sich jedoch gewollt zu drehen, schalten die Fliegen ihr HS-Zell-System vermutlich kurzzeitig ab. Auch beim Geradeauslaufen scheint es Gegenmaßnahmen zu geben, denn sonst würden die Tiere durch die HS-Zellen immer weiter abgebremst. „Wir nehmen an, dass die Fliegen die HS-Zell-Signale beim Geradeauslaufen mit einer internen Erwartung verrechnen und dadurch ihre bremsende Wirkung neutralisieren“, erklärt Alex Mauss.

Das Konnektom des Fliegengehirns: Eine Revolution in der Neurobiologie

Das Gehirn ist ein komplexes Organ, selbst im Falle der Fliege. Im Gehirn der Fliege sind über 100.000 Nervenzellen mit mehreren Millionen Synapsen miteinander verknüpft. Nun hat ein internationales Konsortium zum ersten Mal die Nervenzellen und ihre synaptischen Verbindungen im Gehirn einer weiblichen Taufliege, die den wissenschaftlichen Namen Drosophila melanogaster trägt, vollständig rekonstruiert und veröffentlicht. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Marion Silies an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) leistete mit ihrer Arbeit an den optischen Loben, dem Teil des Gehirns, in dem visuelle Informationen verarbeitet werden, einen wichtigen Beitrag zu dem Gesamtergebnis.

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Unter der Leitung der Princeton University hat das FlyWire-Konsortium das gesamte Konnektom des Gehirns von Drosophila melanogaster erfasst. Das Konnektom zeigt die Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die für ihre Funktion eine entscheidende Rolle spielen. Dazu wurden 130.000 Nervenzellen mit 50 Millionen Synapsen rekonstruiert, indem zunächst elektronenmikroskopische Aufnahmen von hauchdünnen Schnitten des Gehirns erstellt und die Bilder anschließend zusammengesetzt wurden. "Der Datensatz ist bisher einmalig und wird das gesamte Feld der Neurobiologie revolutionieren", erwartet Marion Silies.

Heterogenität im Sehsystem der Taufliege

Die Arbeitsgruppe von Marion Silies am Institut für Entwicklungsbiologie und Neurobiologie hat sich auf das Sehsystem spezialisiert und damit sowohl zum Gesamterfolg von FlyWire beigetragen als auch neue Aspekte zur Verarbeitung visueller Informationen entdeckt. "Visuelle Systeme haben eine homogene Struktur, und man dachte, dass sich diese Homogenität bis zur Ebene der synaptischen Verschaltung hält", so Silies.

Es wurde jedoch herausgefunden, dass die Nervenzellen insbesondere eines Transmedulla-Zelltyps, genannt Tm9, nicht einheitlich, sondern unterschiedlich verschaltet sind. Früher war bereits aufgefallen, dass die Zellen auf einen bestimmten Reiz nicht immer in gleicher Art und Weise reagieren. Dies könnte nun die Erklärung dafür sein. "Offenbar sieht das Auge der Fliege an verschiedenen Punkten unterschiedlich."

Für Silies stellt sich in der Folge die Frage, wozu die Heterogenität im visuellen System der Taufliege dient. Ist sie ein Nebenprodukt oder ist die Variabilität notwendig, um robuste Funktionen zu erfüllen? Dieser grundlegenden zentralen Frage wird Silies im Rahmen der Forschungsgruppe RobustCircuit weiter nachgehen. Um sicherzustellen, dass die Befunde zu den Tm9-Zellen wegen der Erhebung an nur einer weiblichen Fliege keine Ausnahme darstellen, hat die Gruppe zusätzlich lichtmikroskopische Aufnahmen an mehreren Fliegen vorgenommen und die Erkenntnisse somit unterfüttert.

Die außergewöhnliche Nervenzelle CT1

Die Nervenzelle CT1 im Gehirn der Fruchtfliege funktioniert mit ihren Untereinheiten wie rund 1400 einzelne Zellen. In der Regel bekommt eine Nervenzelle Input von verschiedenen Zellen, verarbeitet die Signale, und gibt ihren Output an nachgeschaltete Zellen weiter. In der CT1-Zelle, die sich im Facettenauge der Fruchtfliege befindet, arbeitet jedoch jeder der rund 1400 Zellbereiche wie eine separate Nervenzelle.

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CT1 kontaktiert mit ihren Fortsätzen jede der Zellsäulen, die sich im Gehirn an diese Facetten anschließen. Aber das ist noch nicht alles: Diese Zelle kontaktiert zwei verschiedene Regionen des Fliegengehirnes, die jeweils für die Verarbeitung von hellen beziehungsweise dunklen Kanten zuständig sind. Somit verbindet CT1 insgesamt etwa 1400 Bereiche.

Die Neurobiologen konnten aber zeigen, dass jeder Kontaktbereich von CT1 eine elektrisch isolierte, unabhängige funktionelle Einheit ist. Jede dieser Einheiten erhält Input von Zellen aus “ihrer” Säule und gibt ihr Output auch wieder in die gleiche Säule ab. Damit die Zelleinheiten elektrisch voneinander isoliert sind, müssen ihre Verbindungen möglichst dünn und lang sein - das erhöht den elektrischen Widerstand. CT1 erreicht dies durch Verbindungen mit gerade einmal 100 Nanometer Durchmesser. Außerdem sind die “Verbindungskabel” in Schlaufen gelegt. So wird der Weg zwischen benachbarten Einheiten rund zehnmal länger als es zum Überbrücken der Distanz nötig wäre.

Warum CT1 so völlig anders ist als die meisten anderen Zellen, ist noch ein Rätsel. Auch über die Funktion von CT1 sind sich die Forscher noch nicht ganz im Klaren. Der Output der CT1-Untereinheiten geht - je nach ihrer Lage - an T4- oder T5-Zellen. Diese berechnen die Richtung von Bildbewegungen vor dem Fliegenauge. Interessanterweise kontaktieren CT1 Zellen die bewegungssensitiven T4- und T5-Zellen ganz spezifisch nur auf einer Hälfte deren Dendriten.

Das Sehsystem der Fliege: Ein Modell für die Gehirnforschung

Wie gelangt die Welt in den Kopf? Das ist keine triviale Frage, denn für viele Tierarten ist „Sehen“ einer der wichtigsten Sinne. Um solch komplexe Vorgänge wie das Wahrnehmen von Bewegungen zu verstehen, untersuchen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie ein etwas einfacheres, aber äußerst effizientes System - das Gehirn von Fliegen.

Fliegen sind faszinierende Flugkünstler: Geschickt schießt eine Stubenfliege mit zwei Metern pro Sekunde durch den Raum, um am Ende mit einer halben Rolle rückwärts an der Zimmerdecke zu landen. Anders als beim Menschen erfasst die Fliege die gesamte Welt auf einen Blick, denn ihre großen Facettenaugen gewähren einen 360°-Panoramablick. Optische Informationen verarbeitet die Fliege viel schneller als der Mensch.

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Die detaillierte Analyse solch eines überschaubaren Modellsystems ist ein wichtiger Schritt, um auch die Vorgänge in komplexeren Gehirnen zu verstehen. Alexander Borst und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried haben es sich zum Ziel gesetzt, das Bewegungssehen der Fliegen zu entschlüsseln. Keine leichte Aufgabe, denn die vergleichsweise wenigen Zellen verteilen sich in der Schmeißfliege auf gerade einmal einen Kubikmillimeter Gehirn. Das zweite Untersuchungsobjekt, die Fruchtfliege Drosophila, ist insgesamt nur so groß wie das Gehirn einer Schmeißfliege.

Um die Reaktionen und die Verschaltung der Nervenzellen im Gehirn dieser Fliegen zu untersuchen, zeigen die Wissenschaftler ihnen bewegte Streifenmuster auf einem Leuchtdioden-Bildschirm, der „LED-Arena“. Mit feinen Elektroden messen sie dann die elektrische Antwort einzelner Nervenzellen. Auf diese Weise konnten die Vorhersagen mathematischer Modelle zum Bewegungssehen der Fliegen bestätigt werden.

Die Aufspaltung von Kontrastinformationen

Die Martinsrieder Wissenschaftler untersuchten zunächst die Aktivität der Lamina-Zellen. Für ihre Untersuchungen blockierten die Neurobiologen einzelne Lamina-Zellen mithilfe der Gentechnik und zeigten den Fliegen dann bewegte Streifenmuster. Die Fotorezeptoren des Auges nehmen die vorbeiziehenden Streifen als Hell-Dunkel- und Dunkel-Hell-Übergänge wahr. Wie erwartet maßen die Forscher am vorderen Ende der L2-Zelle, also in dem Zellteil, der die Informationen vom Fotorezeptor bekommt, ganz ähnliche Reaktionen wie im Fotorezeptor. Überraschenderweise wurde diese Information dann jedoch von der L2-Zelle umgewandelt, denn die Zelle gibt nur noch Information über Helligkeitsabnahmen, also Hell-Dunkel-Übergänge („Licht-aus“) an nachfolgende Zellen weiter. Da die Fliege beide Kontrastübergänge wahrnimmt, musste es also noch andere Zellen geben, die Informationen zu Dunkel-Hell-Übergängen („Licht-an“) weiterleiten. Diesen Zelltyp aufzuspüren, war das nächste Projekt der Wissenschaftler.

Die Suche nach diesem zweiten Zelltyp brachte erstaunliche Parallelen in der neuronalen Verarbeitung zwischen Fruchtfliegen und Wirbeltieren ans Licht. Tatsächlich passiert etwas ganz ähnliches auch im Fliegenhirn. Direkt nach den Fotorezeptoren werden hier Informationen zu Kontraständerungen in zwei Bildkanäle aufgetrennt: Während die L2-Zelle nur „Licht-aus“-Informationen weitergibt, reagieren die den L1-Zellen nachgeschalteten Neurone nur bei „Licht-an“.

Energiesparen im Tierreich

Es ist erstaunlich, dass diese Aufspaltung von Kontrastinformation bei allen Wirbeltieren und jetzt auch bei Fliegen zu finden ist. Das deutet darauf hin, dass dieser Verarbeitungsweg schon früh in der Evolution entstanden ist. Die Max-Planck-Forscher vermuten, dass das Gehirn auf diese Weise Energie spart: Würde nur eine Zelle die Information über die verschiedenen Kontraständerungen weiterleiten, müsste sie eine Grundspannung halten, die sich bei „Licht an“ verstärkt und bei „Licht aus“ abschwächt. Solch eine Grundspannung kostet Energie. Zwei Zellen zu haben ist daher effizienter, denn sie brauchen jeweils nur dann aktiv zu werden, wenn „ihre“ Kontraständerung auftritt.

Robuste Modelle für komplexe Umwelten

Neben den direkten Laboruntersuchungen stellen die Martinsrieder Neurobiologen die Zellreaktionen auch in Modellen nach. Ein neu entwickeltes Modell berücksichtigt für seine Vorhersagen zur Reaktion einer Nervenzelle sowohl die Funktion (Input/Output) als auch die biophysikalischen Eigenschaften der Zelle. Dies ist eine wichtige Erweiterung, die zu einem deutlich besseren Verständnis der Interaktionen zwischen den Nervenzellen führt.

In ihren Versuchen zeigten die Wissenschaftler den Fliegen anstatt der Streifenmuster bewegte Punktmuster mit verschiedener Punktdichte. Sie fanden heraus, dass die Nervenzellen bei hoher und niedriger Punktdichte grundsätzlich gleich reagieren. Offensichtlich gleichen die Zellen Unterschiede in den Eingangssignalen über einen internen Verstärker aus. Diese Signalverstärkung bezogen die Neurobiologen in ihre Berechnungen mit ein. Mit Erfolg, denn das neue Modell beschreibt sehr zuverlässig das Verhalten der Nervenzellen des Netzwerks, egal wie komplex die Welt um die Fliege herum ist.

Vielschichtige Schaltkreise

Wie wichtig die Vorgänge innerhalb einer Nervenzelle sind, zeigte auch eine andere Arbeit der Martinsrieder Wissenschaftler. Im Flugkontrollzentrum der Fliege, der Lobula-Platte, reagieren einzelne Zellgruppen auf bestimmte Bewegungen: Zehn VS-Zellen pro Hirnhälfte reagieren zum Beispiel nur auf Rotationsbewegungen der Fliege. Dabei erhält jede dieser zehn Zellen ihre Informationen nur von einem schmalen vertikalen Streifen des Fliegenauges. Dieser „Augenstreifen“ ist das rezeptive Feld der entsprechenden Zelle. Da die VS-Zellen parallel zueinander angeordnet sind, decken ihre rezeptiven Felder das gesamte Sehfeld der Fliege ab.

Die genauere Untersuchung der VS-Zellen brachte eine kleine Sensation ans Licht: Die Zellen reagieren in ihrem Eingangsbereich, also dem Bereich, der Informationen aus der Medulla bekommt, wie erwartet nur auf Bewegungen aus ihrem rezeptiven Feld. Im Ausgangsbereich der Zelle reagierten die VS-Zellen jedoch auch auf Bewegungen aus den rezeptiven Feldern ihrer Nachbarzellen. Es zeigte sich, dass VS-Zellen elektrisch mit ihren Nachbarzellen verbunden sind. Durch die besondere Anordnung der Zellen kommt es so zu einer Art Reihenschaltung im Ausgangsbereich der Zellen.

Die Taufliege Drosophila: Ein Superstar unter den Versuchstieren

Die Taufliege Drosophila ist der Superstar unter den Versuchstieren: klein, pflegeleicht und vermehrungsfreudig. Eine neue Fliegengeneration wächst in nur 10 Tagen heran. Viele heute bekannte Gene wurden zuerst in Taufliegen entdeckt. Auch die Struktur und Funktion von Nervenzellen und neuronalen Netzwerken ähneln sich im Menschen und in der Fliege. Und da Fliegen einiges lernen und sich vielfältig verhalten können, lassen sich auch neurowissenschaftliche Fragen gut an ihnen untersuchen.

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.

Experimentelle Techniken zur Untersuchung von Drosophila

Die Liste der experimentellen Tricks, mit denen Drosophila untersucht werden kann, ist lang und wächst ständig. Hier ist eine Auswahl der beliebtesten Techniken:

• Genetischer Screen: Fliegen werden Mutagenen ausgesetzt und ihre Nachkommen über mehrere Generationen auf veränderte Eigenschaften untersucht.
• Gewebespezifische Genexpression: Mit der Entdeckung von Transposons wurde es möglich, das Fliegengenom gezielt zu verändern.
• Gezielte Genveränderung: Will man testen, ob ein bereits bekanntes Gen eine Rolle in bestimmten Prozessen spielt, kann man seine Funktion mit verschiedenen Methoden gezielt verändern und dann untersuchen, was in dem jeweiligen Prozess passiert.
• Optogenetik: Hier wird eine Nervenzelle oder Gruppen von Nervenzellen mit einem „Schalter“ versehen, der aus einem transgen exprimierten, lichtempfindlichen Protein besteht.

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