Fliegen in Bewegung verarbeiten visuelle Informationen viel schneller

16. April 2017, 11:12
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Forscher untersuchten wichtige Eigenschaften des Bewegungsdetektors im Fliegenhirn

Martinsried – Sehzellen sind grundsätzlich nicht selbst in der Lage, Bewegungen wahrzunehmen, die lichtempfindlichen Sinneszellen der Netzhaut registrieren nur Kontrastveränderungen. Ob man sich selbst bewegt oder Objekte in der Umgebung auf uns zu kommen oder sich entfernen, muss erst das Gehirn aus den empfangenen visuellen Informationen schließen. Wie diese komplexen Berechnungen im Detail aussehen, dazu gibt es unterschiedliche Modelle.

Ein Team um Alexander Borst vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie hat untersucht, inwiefern sich diese Modelle auf den zellulären Schaltplan im Gehirn übertragen lassen. Das Untersuchungsobjekt ist die Fruchtfliege Drosophila, ein Meister des Bewegungssehens.

Im Gehirn der Fruchtfliege sind die sogenannten T4- und T5-Zellen die ersten Nervenzellen, die richtungsselektiv auf einen Bewegungsreiz antworten. Lange wurde angenommen, dass diese Zellen die Signale zweier benachbarter Bildpunkte im Blickfeld der Fliege miteinander vergleichen und so die Bewegungsrichtung berechnen. Dieses recht einfache Modell konnte jedoch nicht alle Messergebnisse der Neurobiologen erklären.

Drei Eingangszellen stellen Vergleiche an

"Unsere Abteilung entwickelte daraufhin ein Modell, bei dem drei anstatt zwei benachbarte Bildpunkte miteinander verglichen werden", erläutert Koautor Alexander Arenz den Ausgangspunkt der aktuellen Studie. "Dieses Modell wollten wir mit den vorhandenen Zellen im Fliegenhirn testen." Eine neue anatomische Studie hatte zuvor gezeigt, dass sowohl T4- als auch T5-Zellen von jeweils vier verschiedenen Zelltypen ihre Eingangssignale erhalten. Ein Modell mit drei Eingangszellen schien somit plausibel.

In einer Art Fliegenkino präsentierten die Forscher den Fliegen verschiedene Lichtreize und zeichneten die Reaktionen der verschiedenen Eingangszelltypen auf. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Geschwindigkeit und Dauer, mit der die einzelnen Zellen auf Helligkeitsveränderungen reagierten, stark voneinander unterschieden. Um die Bedeutung dieser Unterschiede näher zu analysieren, ließen die Wissenschafter die gemessenen Zelleigenschaften in eine Computersimulation des Netzwerks einfließen.

Die Simulationen ergaben, dass die gemessenen Unterschiede zwischen den Zellen und die so entstehenden Verzögerungen, mit denen T4- und T5-Zellen ihre jeweiligen Signale erhalten, essentiell für das Erkennen einer Bewegungsrichtung sind. "Der Bewegungsdetektor mit drei Zellen funktioniert mit diesen Zellen somit sehr gut", erklärt Michael Drews, einer der beiden Erstautoren der Studie. "Nun müssen wir nur noch herausfinden, wie die vierte Eingangszelle in diesem Schaltkreis mitmischt", fügt er hinzu.

Bewegte Fliegen sehen schneller

Um die Aufgaben der einzelnen Zellen noch weiter einzugrenzen, machten sich die Forscher zu Nutze, dass das Fliegenhirn visuelle Eindrücke schneller verarbeitet, wenn sich die Tiere bewegen. "Das ist eigentlich auch so zu erwarten, denn in Bewegung zieht die Umgebung ja viel schneller an den Augen vorbei", erklärt Arenz. Um diesen Zustand im Fliegengehirn zu erzeugen, aktivierten die Wissenschaftler sogenannte Oktopamin-Rezeptoren, die unter natürlichen Bedingungen aktiviert werden, wenn sich die Tiere bewegen. Die Messungen zeigten, dass unter diesen "aktiven Bedingungen" die Eingangszellen schneller wurden und stärker auf höhere Bewegungsgeschwindigkeiten antworteten – und als Konsequenz auch die nachgeschalteten T4- und T5-Zellen.

"Die Ergebnisse demonstrieren eindrucksvoll, mit welcher Flexibilität sich die neuronalen Bewegungsdetektoren an den jeweiligen Verhaltenszustand des Tieres anpassen können", resümiert Borst. Die Fruchtfliege kann auf diese Weise selbst dann noch Bewegungen in ihrer Umgebung zuverlässig wahrnehmen, wenn sie sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegt. Kein Wunder, dass Fliegen so schwer zu fangen sind. (red, 16.4.2017)

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