Fruchtfliegen im Rückwärtsmodus

3. April 2014, 22:17
5 Postings

IMP-Forscher identifizierten jene Neuronen, die bei Fruchtfliegen das Umschalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtsgehen steuern

Wie – Die Aktivität von nur zwei Nervenzellen lässt Fruchtfliegen den Rückwärtsgang einlegen - etwa wenn sie auf ein Hindernis stoßen oder Gefahr wittern. Das berichten Forscher des Instituts für molekulare Pathologie (IMP) in Wien aktuell im Fachjournal "Science". Sie benannten die Zellen spontan "Moonwalker Neuronen", nach jenem Tanzschritt, der durch Michael Jackson Berühmtheit erlangte.

Tiere, die an Land leben, müssen ihre Fortbewegung aus diversen Gründen gelegentlich vom Vorwärts- auf den Rückwärtsmodus umstellen. Die Information zur Umstellung der Gehrichtung wird vom Gehirn über absteigende Nervenbahnen an lokale Bewegungs-Schaltkreise im zentralen Nervensystem weitergeleitet. Dies bewirkt eine Umstellung der zeitlichen Koordination der Fußmuskelaktivierung. Die dabei involvierten neuronalen Schaltkreise sind aber noch wenig gut erforscht.

Thermogenetik

In der aktuellen Studie zielten die Forscher um Barry Dickson darauf ab, den Wechsel der Fortbewegungsrichtung bei Fliegen auf der zellulären Ebene zu verstehen. Mit einem neuartigen Ansatz, der als Thermogenetik bekannt ist, konnten sie Hirnzellen identifizieren, die das Umschalten von Vorwärts- auf Rückwärtsbewegung steuern. Dazu wurden Fliegen untersucht, bei denen bestimmte Neuronen (Nervenzellen) durch Wärme aktiviert werden. Das führt dazu, dass diese Fliegen bei einer Temperatur von 30 Grad Celsius typische Verhaltensmuster zeigen, die sie bei 24 Grad nicht erkennen lassen. Auf diese Weise analysierten die Neurobiologen am IMP mehrere tausend Fliegen und identifizierten diejenigen mit veränderten Bewegungsmustern.

Video: IMP,  courtesy of Science/AAAS

Der thermogenetische Screen brachte vier Fliegenstämme zum Vorschein, die bei Erwärmung auf den Rückwärtsgang umschalten. Werden diese Nervenzellen mit dem Gift der Tetanus-Bakterien lahmgelegt, so geht die Fähigkeit zum Rückwärtsgehen verloren.

Unter den Moonwalker-Neuronen wurden sowohl aufsteigende (MAN) als auch absteigende Nervenbahnen (MDN) identifiziert. Absteigende Neuronen lassen Fliegen rückwärts gehen, sobald sie auf ein Hindernis treffen, das sie nicht umgehen können. Die Aktivität der MDN-Zellen im Gehirn reicht aus, um das Rückwärtsgehen der Tiere unter Bedingungen herbeizuführen, unter denen sie sich normalerweise vorwärts bewegen. Die aufsteigenden MAN-Neuronen fördern das anhaltende Rückwärtsgehen, möglicherweise durch Unterdrücken des Vorwärtsgangs.

Vorbild für Robotik

"Mit unserer Untersuchung konnten wir erstmals Nervenzellen identifizieren, die bei Insekten die Gangrichtung umschalten", sagt Salil Bidaye, Erstautor der Studie. "Damit haben wir einen idealen Zugang für weitere Analysen der Bewegungskoordination bei Fliegen." Obwohl es offensichtlich große Unterschiede in der Fortbewegung von Fliegen und Menschen gibt, sind Ähnlichkeiten auf der Ebene der neuronalen Steuerung zu erwarten.

Bidaye, der mittlerweile an der Universität Berkeley forscht, erwähnt auch mögliche Anwendungen der Erkenntnisse für die Robotik. Derzeit haben etwa Erkundungs- und Bergungsroboter noch Schwierigkeiten bei der Fortbewegung in unwegsamem Gelände. Das robuste Gangverhalten von Insekten dient Entwicklern als Vorbild, ist aber bisher unerreicht. Ein besseres Verständnis der Grundlagen des Insektengangs könnte auch in dieser Hinsicht neue Impulse liefern. (red, derStandard.at, 3.4.2014)

  • Die Neuronen MDN (Moonwalker Descending Neuron) und MAN (Moonwalker Ascending Neuron) sind für das Rückwärtsgehen verantwortlich.
    foto: imp, courtesy of science/aaas

    Die Neuronen MDN (Moonwalker Descending Neuron) und MAN (Moonwalker Ascending Neuron) sind für das Rückwärtsgehen verantwortlich.

Share if you care.