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Prof. Dr. Alexander Borst

Jahrbuchbeitrag 2011 - Abteilung: Schaltkreise - Information - Modelle

Bewegungssehen im Fliegenhirn

Motion vision in the fly brain

Autoren

Alexander Borst

Abteilungen

Schaltkreise - Information - Modelle

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. Für ihre Unter­suchungen nutzen sie neueste Methoden und entschlüsseln so die Funktionen des Netzwerks auf der Ebene einzelner Nervenzellen.

How does the mind perceive the world? This is not a trivial question: for many animal species, "seeing" is one of the most important senses. In order to understand such complex processes like the perception of movement, neurobiologists at the Max Planck Institute of Neuro­biology study a somewhat simpler yet highly efficient system – the fly brain. The researchers use the latest technologies and thus unravel piece by piece the functions of the network on the level of individual nerve cells.

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. So würde eine Schmeißfliege einen Kinofilm mit 100 Bildern pro Sekunde noch als Einzelbilder erkennen, während der Mensch die dunklen Pausen bereits ab 24 Bildern pro Sekunde nicht mehr wahrnimmt. So kann die Fliege die rasant vorbeiziehende Umgebung zuverlässig erfassen und bewerten.

Diese äußerst effiziente Verarbeitung optischer Informationen im Fliegenhirn fasziniert Neurobiologen schon lange. Besonders attraktiv ist dabei, dass das Fliegengehirn vergleichsweise wenige Nervenzellen besitzt. Im Säugetiergehirn gibt es mehrere hundert Milliarden Nervenzellen, im Fliegengehirn sind es gerade einmal 100.000 Zellen. Die Aufgabe einzelner Nervenzellen und ihr Zusammenspiel im Netzwerk kann in der Fliege somit deutlich leichter untersucht werden. Die detaillierte Analyse solch eines überschaubaren Modellsystems ist ein wichtiger Schritt, um auch die Vorgänge in komplexeren Gehirnen zu verstehen.

Präzisionsarbeit auf kleinstem Raum


<p>Abb. 1: Hirnforschung bei Fliegen. Während die Fliege bewegte Streifenmuster sieht, messen Neurobiologen mithilfe von Elektroden die elektrische Antwort der Nervenzellen. (Links schematisch am Beispiel der Fruchtfliege Drosophila, rechts der Versuchsaufbau für die Schmeißfliege <em>Calliphora</em>.)</p>
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Abb. 1: Hirnforschung bei Fliegen. Während die Fliege bewegte Streifenmuster sieht, messen Neurobiologen mithilfe von Elektroden die elektrische Antwort der Nervenzellen. (Links schematisch am Beispiel der Fruchtfliege Drosophila, rechts der Versuchsaufbau für die Schmeißfliege Calliphora.)

[weniger]

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 (Abb. 1). Auf diese Weise konnten die Vorhersagen mathematischer Modelle zum Bewegungssehen der Fliegen bestätigt werden. Wie die einzelnen Zellen jedoch genau miteinander verbunden sind, damit sie wie im Modell arbeiten, das blieb auch nach jahrelanger Forschung ein Rätsel – viele Nervenzellen sind einfach zu klein, um sie mithilfe von Elektroden zu untersuchen. Es musste ein Weg gefunden werden, die Aktivität dieser Nervenzellwinzlinge ohne Elektroden im reagierenden Gehirn zu beobachten.

Fluoreszenz-Moleküle und modernste Mikroskopie

Diese Hürde nahmen die Martinsrieder Wissenschaftler vor knapp zwei Jahren [1]. Es gelang ihnen, Fruchtfliegen zu züchten, bei denen einzelne Nervenzellen mit dem Indikator-Molekül TN-XXL ausgestattet waren. Dieses Molekül, entwickelt von Oliver Griesbeck und seinem Team am MPI für Neurobiologie [2], ändert seine Fluoreszenz, wenn die Nervenzelle aktiv ist. Zusammen mit dem Zwei-Photonen-Mikroskop waren so endlich die technischen Möglichkeiten geschaffen, um den zellulären Aufbau des Bewegungsdetektors im Fliegenhirn zu untersuchen (Abb. 2).

 
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