Laserlicht bringt Fliegen zum Kopulieren

29. Mai 2014, 17:41
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Mittels sogenannter thermo- und optogenetischer Manipulationen können Neurobiologen direkt im Gehirn von Tieren neuronale Vorgänge beeinflussen

Wien - In dem Fall waren sich die beiden großen Wissenschaftsmagazine "Nature" und "Science" ausnahmsweise einig: Die US-Zeitschrift "Science"  wählte die Optogenetik Ende 2010 zu einem der zehn wichtigsten Durchbrüche des vergangenen Jahrzehnts. Von der britischen Konkurrenz wurde sie praktisch zeitgleich immerhin zur Methode des Jahres erklärt.

Warum die vom Österreicher Gero Miesenböck miterfundene Optogenetik und die mit ihr verwandte Thermogenetik ein nachgerade revolutionierendes Potenzial für die Neurobiologie haben, ist schnell erklärt: Bei gentechnisch speziell gezüchteten Tieren - Mäusen ebenso wie Fliegen - können Forscher mittels Licht oder Wärme Aktivitäten in Zellen lebender Organismen gezielt ein- oder ausschalten - und das gilt insbesondere auch für Nervenzellen im Gehirn.

Konkret werden auf gentechnischem Weg licht- oder wärmeempfindliche Proteine etwa in Nervenzellen geschleust, die zu feuern beginnen, sobald sie mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt werden. Bei der Thermogenetik prägen die Tiere bei der Bestrahlung mit Infrarotlicht und der damit einhergehenden Erwärmung auf 30 Grad Celsius bestimmte Merkmale aus oder legen ein bestimmtes Verhalten an den Tag, das sie bei 24 Grad Celsius oder weniger nicht zeigen.

Eingriffe direkt ins Gehirn

Damit können Neurowissenschafter erstmals konkret und gezielt in den Informationsfluss und die Signalübertragung im Gehirn eingreifen und testen, welcher Eingriff zu welchem Ergebnis führt. Und das wiederum verhilft zu einem weitaus besseren Verständnis, wie Verhalten im Gehirn gesteuert wird.

Bei sich bewegenden Versuchstieren waren solche Eingriffe mittels Laserstrahlen aber bis vor kurzem nicht möglich. Das ist aber ab sofort anders: Andrew Straw vom Institut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien hat gemeinsam mit Kollegen von der Technischen Universität Wien und aus den USA mit einer Vorrichtung namens FlyMAD ("Fly Mind Altering Device") ein Instrument entwickelt, welches das schier Unmögliche möglich macht.

Mittels FlyMAD können nämlich die Positionen mehrerer bewegter Fliegen gleichzeitig mit einer Videokamera aufgezeichnet werden, um dann bestimmte Körperregionen der Insekten gezielt mit hochfokussiertem Laserlicht zu bestrahlen. Das wiederum macht es möglich, auch gezielt in die Denkvorgänge von krabbelnden oder fliegenden Fliegen einzugreifen.

Die erreichte Präzision, die solche Eingriffe erst möglich macht, erstaunt vermutlich nicht nur Laien: Mittels FlyMAD können die Neurowissenschafter den Kopf der Fruchtfliegen mit einer Genauigkeit von 0,2 Millimetern und den Körper mit einer Genauigkeit von 0,1 Millimetern verfolgen.

Dazu kommt eine stark verbesserte zeitliche Auflösung: Das "Ein- und Ausschalten" bestimmter Neuronen durch einen Laserstrahl und die damit einhergehenden Veränderungen im Verhalten der Tiere benötigen nur den Bruchteil einer Sekunde.

Beeinflusstes Balzverhalten

In ihrem Aufsatz im Fachblatt "Nature Methods" konnten die Forscher um Andrew Straw die Funktion der neuen Vorrichtung bereits unter Beweis stellen: Mit einem thermogenetischen Ansatz untersuchten sie spezielle Neuronen, die sie in früheren Experimenten als wichtige Elemente für den Balzgesang der Fliegen identifiziert hatten.

Dank der besseren zeitlichen Auflösung der neuen Methode war es den Wissenschaftern möglich, die Aktivität von Neuronen klarer zuzuordnen. So konnte nachgewiesen werden, dass ein bestimmter Neuronentyp im Fliegenhirn für langanhaltendes Balzverhalten verantwortlich ist, während andere Zellen den Balzgesang steuern. Im Experiment äußerte sich das zum Beispiel in der Form, dass die Männchen nach thermischer Stimulation versuchten, ein Fliegenimitat aus Kunststoff zu begatten. Außerdem fingen sie an zu "singen", indem sie ihre Flügel vibrieren ließen.

FlyMAD ermöglicht es aber auch, Experimente durchzuführen, bei denen Fliegen durch Licht und Wärme gleichzeitig aktiviert werden. Dadurch könnten verschiedene genetische Elemente in ein und derselben Fliege ein- und ausgeschaltet werden - für die Neurobiologen fantastische Aussichten. So könnten die Forscher künftig in neuronalen Schaltkreisen untersuchen, in welcher Reihenfolge Zellen in einer Signalkaskade angeordnet sind. (Klaus Taschwer, DER STANDARD, 28.5.2014)

  • In der sogenannten FlyMAD-Vorrichtung kann ein Laserstrahl gezielt auf eine sich bewegende Fliege gerichtet werden. Das Licht schaltet einzelne Neuronen im Gehirn der Fliege ein oder aus und führt dadurch zu bestimmten Verhaltensweisen.
    foto: matt staley und dan bath, jfrc, hhmi

    In der sogenannten FlyMAD-Vorrichtung kann ein Laserstrahl gezielt auf eine sich bewegende Fliege gerichtet werden. Das Licht schaltet einzelne Neuronen im Gehirn der Fliege ein oder aus und führt dadurch zu bestimmten Verhaltensweisen.

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