Forschungsbericht 2016 - Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research)

Ein Netzwerk für den Orientierungssinn

Autoren
Seelig, Johannes
Abteilungen
Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research), Bonn
Zusammenfassung
Wie bewegen wir uns im Raum und wie orientieren wir uns? Untersuchungen am einfachen Nervensystem der Fruchtfliege zeigen, dass hierbei neuronale Netzwerkstrukturen eine wichtige Rolle spielen, die auch für das Säugetiergehirn von Bedeutung sind. Dank der geringen Größe des Fliegengehirns und dank neuer genetischer Methoden können diese Netzwerke in der Fruchtfliege im Detail untersucht werden. Von solchen Experimenten erhoffen sich die Forscher Erkenntnisse darüber, wie abstrakte mathematische Berechnungen in biologischen Netzwerken kodiert sind.

Sensomotorische Integration


Wenn wir uns im Raum bewegen, werden in unserem Gehirn ständig Informationen verarbeitet − über unsere Umgebung und uns selbst: Wo befinden wir uns gerade? In welche Richtung gehen wir? Sind wir noch auf dem richtigen Weg? Zusätzlich werden unsere eigenen Bewegungen, etwa die unserer Beine oder Arme, kontinuierlich kontrolliert. Auf diese Weise fließen sowohl räumliche Informationen als auch Informationen über unseren momentanen Bewegungszustand in die Planung der nächsten Bewegungsabläufe ein. Diese Kombination von sensorischen und motorischen Informationen wird unter dem Begriff der „sensomotorischen Integration“ zusammengefasst.


Wir sind weit davon entfernt zu verstehen, wie diese Integration in unserem Gehirn im Detail abläuft und wie die verschiedenen Signale dort von den Netzwerken aus Nervenzellen verarbeitet werden. Dies hängt damit zusammen, dass die Informationsverarbeitung in vielen Zellen parallel abläuft − über mehrere Regionen des Gehirns verteilt. Um detaillierte Aussagen über die zellulären Schaltkreise machen zu können, müsste man idealerweise all diese Zellen gleichzeitig beobachten. Dies ist aber angesichts der großen Zahl und Ausdehnung der Zellen und gleichzeitig der kleinen Dimensionen der subzellulären Strukturen bis heute nur sehr eingeschränkt möglich.

Abb. 1: (a) Eine Fruchtfliege auf einer Laufanlage oder Tretmühle unter dem Mikroskopobjektiv. Sowohl die Laufbewegung der Fruchtfliege auf der Tretmühle als auch die Aktivität im Gehirn werden gleichzeitig gemessen. (b) Die Fliege ist von einem zylindrischen Bildschirm umgeben und kann mit ihren Laufbewegungen in der auf dem Bildschirm gezeigten virtuellen Realität navigieren. Modifiziert nach [4].

Die Fliege als Modellsystem


Die erwähnten sensomotorischen Prozesse laufen in jedem Lebewesen ab, das sich im Raum bewegt und orientieren muss – etwa um Nahrung zu finden. Es bietet sich deshalb an, die sensomotorische Integration an einem einfachen Modellsystem zu untersuchen, etwa dem der Fruchtfliege. Einem Gehirn mit rund 100.000 Nervenzellen bei der Fruchtfliege stehen etwa 100.000.000.000 Nervenzellen beim Menschen gegenüber. Die Beobachtung des Gehirns der Fruchtfliege wird dadurch erleichtert, dass sein Volumen klein genug ist, um es optisch mithilfe der Zweiphotonen-Mikroskopie vollständig zu durchdringen. Zusätzlich erlauben uns genetische Methoden, die Schaltkreise in kleinere Zellgruppen von einigen zehn oder hundert Zellen zu unterteilen. Diese Zellpopulationen lassen sich dann mit einer Vielfalt von Methoden untersuchen. Hat man eine Zellpopulation charakterisiert, kann man weitere Populationen finden, die mit der zuerst untersuchten in Verbindung stehen. So lassen sich die verschiedenen Elemente eines größeren Schaltkreises nach und nach zusammensetzen.

Abb. 2: (a) Eine schematische Abbildung eines Schnitts durch das Fliegengehirn mit dem Sehsystem und dem Zentralkomplex, einer Struktur im Zentrum des Fliegengehirns, die auch für die Navigation wichtig ist. (b) Eine Gruppe von ca. 30 Zellen (grün), die mit genetischen Mitteln markiert werden und in der Mitte des Fliegengehirns (violett) eingebettet liegen. (c) Eine Mittelung einer Aktivitätsmessung in den ringförmig angeordneten Nervenzellen im Zentralkomplex. Der Maßstabsbalken entspricht 20 Mikrometern. Modifiziert nach [4].

Sensomotorische Integration im Fliegengehirn


In Verhaltensexperimenten wurde gezeigt, dass sich Fliegen tatsächlich mithilfe des Sehsinns im Raum orientieren können, ähnlich wie wir dies tun, wenn wir etwa zu einem Parkplatz zurückkehren, an dem wir unser Auto abgestellt haben [1]. Fruchtfliegen konnten in diesen Experimenten einen früher besuchten Ort wiederfinden, indem sie sich mithilfe ihres Sehsinns orientierten. Selbst dieses vergleichsweise einfache Nervensystem stellt also Berechnungen zur Lösung von Verhaltensaufgaben an, wie man sie auch bei Säugetieren antrifft.


Was sind nun die neuronalen Netzwerke, die dieser räumlichen Orientierung zugrunde liegen? Wissenschaftler in der Gruppe von Vivek Jayaraman am Janelia Research Campus haben Methoden entwickelt, mit denen man die neuronale Aktivität im Gehirn von Fruchtfliegen beobachten kann, während sie sich in einer virtuellen Realität fortbewegen (Abb. 1) [2]. Dadurch kann man das Navigationsverhalten der Fliege verfolgen, während gleichzeitig die Hirnaktivität mit einem Mikroskop beobachtet wird. In diesen Experimenten wurde gezeigt, dass in der Mitte des Fliegenhirns ringförmig angeordnete Zellgruppen (Abb. 2) die Bewegungsrichtung der Fliege relativ zu Objekten der Umgebung verfolgen (Abb. 3) – ähnlich einem Kompass [3, 4]. Und selbst im Dunkeln, wenn keine visuellen Reize auf das Auge treffen, wird der Kompass – nur durch die Verrechnung der Eigenbewegung – ständig neu justiert. Zellen mit ähnlicher Funktion sind bereits aus dem Rattengehirn unter dem Namen „Kopfrichtungszellen“ bekannt, und etliche Eigenschaften dieser Zellen finden sich in der Fruchtfliege wieder [5]. Die genaue Anordnung dieser Zellen im Gehirn von Ratten ist wegen der Größe und Komplexität der Schaltkreise nicht bekannt. Es wurden jedoch bereits Mitte der 1990er-Jahre mathematische Modelle vorgeschlagen, um die beobachteten Phänomen zu beschreiben [6]. Diese Modelle haben nun verblüffende Ähnlichkeiten mit der tatsächlichen Anordnung der Zellen im Fliegengehirn.

Die für das Rattengehirn entwickelten abstrakten Modelle sagen also wesentliche Elemente der Struktur einer zentralen Region des Fliegengehirns voraus. Es sieht so aus, als hätten wir in der Fliege eine kompakte, methodisch zugängliche Implementierung eines Netzwerkmotivs, das auch für das Säugetiergehirn von großem Interesse ist. Wie dies bereits für das Sehen von Bewegung [7] und für den Geruchssinn [8] in weit größerem Detail gezeigt wurde, gibt es also verblüffende Parallelen zwischen den Schaltkreisen im Gehirn der Fruchtfliege und denen im Gehirn der Säugetiere.

Abb. 3: Eine Auswahl aus einer Zeitreihe von Aufnahmen, die die Position eines Stabs auf dem Bildschirm und gleichzeitig die Aktivität in der ringförmigen Zellpopulation im Fliegengehirn zeigen (zu verschiedenen Zeitpunkten t im Experiment). Der Kompass wird entsprechend dem zellulären Aufbau in 16 Abschnitte unterteilt. Die Aktivität (F) im Ring dreht sich zusammen mit der Position des Stabs auf dem Bildschirm. Der Maßstabsbalken entspricht 20 Millimetern. Modifiziert nach [4].

 

Ausblick


Um zu einem tieferen Verständnis der Informationsverarbeitung im Gehirn zu gelangen, möchte man die Gehirnfunktionen auf die Eigenschaften der elementaren zellulären Bausteine zurückführen. Wie werden abstrakte mathematische Berechnungen, beispielsweise für den Orientierungssinn, in tatsächlichen biologischen Netzwerken implementiert? Um das zu verstehen, benötigen wir eine genaue Beschreibung der biophysikalischen und biochemischen Eigenschaften der Netzwerke, die einer bestimmten Funktion zugrunde liegen. Darunter fallen etwa die Verbindungen zwischen den Zellen oder die Verteilung der Ionenkanäle in der Zellmembran. Die geringe Größe des Gehirns der Fruchtfliege und die weit entwickelten genetischen Werkzeuge erleichtern eine solch detaillierte Beschreibung. Das Ziel dieser Experimente ist es, Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben, die über die Grenze des spezifischen Organismus hinaus Gültigkeit haben und so zum Verständnis des menschlichen Gehirns beitragen.

Der Autor dankt Stefan Hartmann für die redaktionelle Unterstützung.

Literaturhinweise

1.
Ofstad, T. A.; Zuker, C. S.; Reiser, M .B.
Visual place learning in Drosophila melanogaster
Nature 474, 204-207 (2011)
2.
Seelig, J. D.; Chiappe, M. E.; Lott, G. S.; Dutta, A.; Osborne, J. E.; Reiser, M. B.; Jayaraman, V.
Two-photon calcium imaging from head-fixed Drosophila during optomotor walking behavior
Nature Methods 7, 535-540 (2010)
3.
Seelig, J. D.; Jayaraman, V.
Feature detection and orientation tuning in the Drosophila central complex
Nature 503, 262-266 (2013)
4.
Seelig, J. D.; Jayaraman, V.
Neural dynamics for landmark orientation and angular path integration
Nature 521, 186-191 (2015)
5.
Taube, J. S.
The head direction signal: origins and sensory-motor integration
Annual Review of Neuroscience 30, 181-207 (2007)
6.
Knierim, J. J.; Zhang, K.
Attractor dynamics of spatially correlated neural activity in the limbic system
Annual Review of Neuroscience 35, 267-285 (2012)
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