Halt! Neuronale Mechanismen des Anhaltens entschlüsselt

Die Bedeutung von Drosophila für das Verständnis komplexer Verhaltensweisen

Um zu verstehen, wie neuronale Schaltkreise das Anhalten steuern, haben wir uns einem leistungsfähigen Forschungsmodell zugewandt: Drosophila melanogaster, allgemein bekannt als eine Fruchtfliegen Spezies. Dank ihres vereinfachten Nervensystems, der kurzen Lebensdauer und der hohen Anzahl an Nachkommen ist es möglich, spezifischen Neuronen und neuronalen Schaltkreisen Funktionen zuzuordnen.

Um spezifische Neuronen im Gehirn der Fliege durch Bestrahlung mit rotem Licht zu aktivieren, kombinierten wir genetisches Screening und Optogenetik. Nach Aktivierung führten drei spezielle Neuronentypen, genannt Foxglove, Bluebell und Brake, dazu, dass die Fliegen anhielten. Bei genauerer Betrachtung stellten wir dann fest, dass jeder dieser Neuronentypen auf unterschiedliche Weise die Fliegen zum Anhalten brachte.

Zwei Mechanismen des Anhaltens

Durch präzise Analyse der Beinbewegungen, Bildgebung der neuronalen Aktivität und computergestützte Modellierung, die durch das kürzlich veröffentlichte Verschaltungsdiagramm der Neuronen in der Fliege ermöglicht wurde, konnten wir die Verhaltens-, Muskel- und neuronalen Mechanismen bestimmen, die das Anhalten der Fliege auslösten. Wir fanden, dass die Aktivierung dieser drei verschiedenen Neuronen das Anhalten durch zwei unterschiedliche Mechanismen bewirkte, die wir als "Walk-OFF" und "Brake" bezeichnen (Abb. 1; [1]).

Wie der Name andeutet, funktioniert der "Walk-OFF"-Mechanismus, indem er diejenigen Neuronen abschaltet, die das Gehen antreiben, ähnlich wie wenn man den Fuß vom Gaspedal eines Autos nimmt. Dieser Mechanismus, der von den Foxglove- und Bluebell-Neuronen genutzt wird, beruht auf dem inhibitorischen Neurotransmitter GABA und unterdrückt so die Aktivität der Neuronen im Gehirn, die das Gehen auslösen.

Der "Brake"-Mechanismus hingegen, der von den exzitatorischen cholinergenen Brake-Neuronen im Bauchmark der Fliege eingesetzt wird, verhindert aktiv das Gehen, indem er den Widerstand an den Beingelenken erhöht und für Haltungsstabilität sorgt. Dieser Mechanismus ähnelt dem Treten auf die Bremse im Auto, um die Räder aktiv am Drehen zu hindern. Und genau wie man den Fuß vom Gas nimmt, um auf die Bremse zu treten, hemmt der "Brake"-Mechanismus zusätzlich neben der Verhinderung des Schreitens auch wiederum die Neuronen, die das Gehen fördern.

Kontextspezifische Aktivierung von Anhaltemechanismen

Wir erkannten ferner, dass die Fliege je nach Verhaltenskontext entweder den "Walk-OFF"- oder den "Brake"-Mechanismus zum Anhalten einsetzte. Wenn sich eine Fliege beispielsweise Futter nähert, lösen Zucker-sensitive Neuronen das Anhalten über den Walk-OFF-Mechanismus aus. In Situationen, in denen Stabilität entscheidend ist, wie zum Beispiel wenn die Fliege sich putzt, verwendet sie jedoch den Brake-Mechanismus, um aktiven Widerstand an den Gelenken ihrer Standbeine zu leisten und ein Umfallen zu verhindern (Abb. 2).

Alle diese Entdeckungen geben Aufschluss darüber, wie kontextuelle Informationen spezifische Mechanismen von Verhaltensweisen wie dem Anhalten aktivieren. Wir hoffen, dass das Verständnis dieser Mechanismen es uns ermöglichen wird, ähnliche kontextspezifische Prozesse bei anderen Tieren und beim Menschen zu identifizieren. Wenn wir beispielsweise einen Stein aus unserem Schuh entfernen, nutzen wir wahrscheinlich einen Stabilisierungsmechanismus, der dem Brake-Mechanismus ähnelt, um das Gleichgewicht zu halten. Die Kenntnis solcher kontextspezifischen neuronalen Schaltkreise und ihres Zusammenwirkens mit anderen sensorischen und motorischen Schaltkreisen könnte die Grundlage zur Erkennung und Behandlung komplexer Verhaltensweisen wie beispielsweise Bewegungsvorgängen sein und darüber hinaus Anwendungen für die Robotik finden.

Danksagung

Diese Forschung wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Carl Angus DeSantis Foundation, die Wellcome Foundation und das Max Planck Florida Institute for Neuroscience unterstützt.

Literaturhinweise