Neuronale Informationsverarbeitung
Die Forschung im Überblick
Für den Menschen und viele Tiere ist "Sehen" einer der wichtigsten Sinne. Wann immer sich solch ein Organismus durch den dreidimensionalen Raum bewegt verschieben sich die Umgebungsbilder auf seiner Retina. Die begleitende Verschiebung von Bewegungsvektoren auf der Retina wird als "optischer Fluss" bezeichnet. Dieser optische Fluss liefert eine Fülle an Informationen über die eigene Bewegung und hat daher eine große Bedeutung für die visuelle Kurskontrolle. Dies gilt besonders für schnell fliegende Tiere wie Fliegen.
Uns interessiert, wie das Sehsystem von Fliegen Bewegungen aus dem optischen Fluss berechnet und wie diese Informationen in Informationen zur Flugsteuerung umgesetzt werden. Um dies zu untersuchen kombinieren wir experimentelle und theoretische Methoden, sodass das Spektrum von Untersuchungen zu Membranstrukturen und der Pharmakologie einzelner Neuronen bis hin zu Verhaltensstudien von Bewegungsreflexen reichen (in vivo, in vitro und in silico).
Wir führen unsere Studien an der Schmeißfliege Calliphora vicina und an der Fruchtfliege Drosophila melanogaster durch. Die Sehzellen der Schmeißfliegen erlauben Untersuchungen der neuronalen Aktivität durch intrazelluläre Ableitungen und durch optische Methoden nach Injektion von unterschiedlichen (auch fluoreszierender) Farbstoffe in die einzelnen Nervenzellen. Der Einsatz und die Entwicklung genetisch kodierter Indikatoren und Hemmstoffe neuronaler Aktivität wird an der Fruchtfliege studiert, an der eine Fülle genetischer Techniken den Wissenschaftlern zur Verfügung stehen. All die somit gesammelten Erkenntnisse fließen in die Modellbildung ein, welche es mittels Computersimulation erlaubt, das Bewegungs-Sehsystem der Fliege in seiner ganzen Komplexität zu erfassen.
Projektgruppen
Wir untersuchen in der Schmeißfliege Calliphora vicina wie die Tangentialzellen der Lobulaplatte miteinander verbunden sind, auf welche visuellen Reize sie reagieren und welche postsynaptischen Nervenzellen sie innervieren. Um die Aktivität einzelner Zellen sichtbar zu machen, verwenden wir feine Elektroden für intrazelluläre Ableitungen und synthetische Farbstoffe, die auf Kalziumveränderungen reagieren.
Unser Ziel ist es, eine dreidimensionale Rekonstruktion des visuellen Systems der Fliege auf der ultrastrukturellen Ebene zu erstellen. Hierzu arbeiten wir eng mit Prof. Winfried Denk und mit Jakob Macke und Prof. Bernhard Schöllkopf am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen zusammen.
Wir leiten die elektrischen Antworten einzelner Nervenzellen in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster ab und untersuchen so die Reaktionen auf verschiedene visuelle Stimuli. Mit Hilfe verschiedener Gal4-Linien bringen wir genetisch kodierte Kalziumindikatoren in bestimmte Populationen von Medulla-Nervenzellen ein und klären so die präsynaptischen Schaltkreise auf, die bei der Bewegungserkennung eine Rolle spielen.
Wir begleiten alle unsere Experimente durch Modellierung. Die Ergebnisse fließen in nachfolgende Versuchsaufbauten ein. Biophysikalisch realistische Kompartmentalmodelle einzelner Neuronen, die aus 2-Photon Bildstapeln gewonnen werden, ermöglichen uns die Computer-Rekonstruktion von Zellnetzwerken aus dem Bereich der Bewegungsverarbeitung.
Als eine technische Anwendung unserer Erkenntnisse aus der visuellen Bewegungssteuerung der Fliege entwickeln wir einen kleinen Flugroboter. Auf die Plattform eines Quadrocopters montieren wir eine Ultraleichtkamera mit zwei Fischaugenlinsen. Die Kamerabilder werden vor Ort über verschiedene Reichardt-Detektoren in einem FPGA-Chip verarbeitet. Die daraus resultierenden Flussfleder werden für Kurskorrekturen und die visuelle Stabilisierung verwendet.
