Studie zeigt, dass die visuelle Navigationstaktik von Fruchtfliegen je nach Umgebung unterschiedlich ist

Die Fruchtfliegen, die um die Äpfel auf Ihrer Arbeitsplatte herumschwirren, müssen sich auf der Suche nach Nahrung in einer unübersichtlichen Umgebung zurechtfinden, von der bebauten Umgebung und Vegetation rund um Ihr Haus bis hin zu den Gegenständen in Ihrer Küche. Bei Wüstenfruchtfliegen ist das nicht ganz so.

Auf der Suche nach Kaktusfrüchten fliegen sie durch eine meist kahle Landschaft mit einer viel geringeren Anzahl relativ vorhersehbarer Hindernisse. Dennoch glaubte man lange, dass andere Fruchtfliegenarten unabhängig vom Lebensraum auf die gleiche Weise navigieren und das Gleichgewicht halten wie städtische Fruchtfliegen.

Eine neue Studie widerlegt diese Annahme mit der Entdeckung, dass Fliegenarten, die in den beiden unterschiedlichen visuellen Lebensräumen leben, deutlich unterschiedliche Navigationstaktiken haben. Die Forscher machten die Entdeckung, indem sie Fruchtfliegen in eine Vorrichtung steckten, die sie mit virtuellen Objekten auf eine Weise interagieren ließ, die dem Holodeck in der Fernsehserie „Star Trek: The Next Generation“ ähnelte.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Aktuelle Biologie.

Fliegende Fruchtfliegen haben zwei Aufgaben: Sie müssen interessante Dinge ansteuern und dabei auch stabil bleiben. Wie beim Menschen hilft ihnen das Sehvermögen, sich geradeaus zu bewegen und stabil zu bleiben, während sie sich auf verlockende Objekte ausrichten. Diese beiden Aufgaben ergänzen sich nicht. Das Betrachten interessanter Dinge unterbricht das Sehvermögen, das zum Stabilisieren erforderlich ist. Aber das Gehirn schafft es, visuelle Signale so zu verarbeiten, dass die Fliegen beide Aufgaben erfüllen können.

„Visuelle Stabilität ist wichtig – versuchen Sie, mit geschlossenen Augen auf einem Bein zu stehen“, sagte Mark Frye, der korrespondierende Autor des Artikels und Professor für integrative Biologie und Physiologie an der UCLA. „Wenn Sie interessante Dinge betrachten möchten, müssen Sie den Teil Ihres Sehvermögens, der das Gleichgewicht steuert, kurzzeitig außer Kraft setzen, und Sie riskieren, umzufallen.“

Die städtische Fruchtfliege Drosophila melanogaster lebt in einer visuell reichen Umgebung und kann den Hintergrund der Objekte, an denen sie sich orientieren muss, stabilisieren. In der Wüste sind die wenigen Objekte, denen die Mojave-Fruchtfliege (Drosophila mojavensis) begegnet, wahrscheinlich die, die sie interessiert, wie etwa Kakteen, aber sie komponieren auch die Szenerie, die sie zur Stabilisierung benötigt.

Um zu testen, wie sich unterschiedliche Umgebungen auf das Gleichgewicht zwischen Navigation und Stabilität bei beiden Arten auswirken, entwickelten die Forscher ein System, bei dem die Fliegen mit virtuellen Objekten interagieren konnten, während ihre Körper- und Augenbewegungen mit einer Kamera verfolgt wurden. Sie klebten einen winzigen Stahlstift auf den Rücken der Fliege und verbanden ihn mit einem Magneten, der an der Oberseite eines runden, trommelartigen Geräts hing. Ein weiterer Magnet an der Unterseite der Trommel erzeugte ein Magnetfeld, das den Stift genau in Position hielt, während die Fliege sich innerhalb der Trommel auf der horizontalen Ebene drehen konnte.

Die Wände der Trommel waren vollständig mit LED-Lichtern bedeckt und ein Computer erzeugte mithilfe der Lichter verschiedene bewegliche Formen in unterschiedlichen Größen und Ausrichtungen. Die Fliege konnte wählen, wie sie mit diesen virtuellen Objekten interagieren wollte. Eines der Objekte war ein vertikaler Balken, der wie ein natürliches Merkmal aussah, beispielsweise ein Baumstamm. Damit sollte getestet werden, wie die Fliege den Balken und den Hintergrund zur Navigation nutzen würde.

„Wir wissen genau, wohin sie blickt, weil wir ihren Körper und Kopf mit einer Videokamera verfolgen. Außerdem kontrollieren wir genau, was die LED-Anzeige macht, sodass wir das Experiment aus der Fliegenperspektive nachbilden können“, sagte Frye.

Die Wüstenfliegen ignorierten den Hintergrund und folgten dem Balken sanft, wobei sie ihn auf ihrer visuellen Mittellinie zentrierten, während die Stadtfliegen dies nicht taten. Sowohl Wüsten- als auch Stadtfliegen machten schnelle Augenbewegungen, sogenannte Sakkaden, um Objekten zu folgen, die sich entlang eines kontinuierlichen Pfads bewegten. Wüstenfliegen verließen sich jedoch stärker auf die sanfte Fixierung des vertikalen Balkens, gefolgt von einer Reihe von Sakkaden, um schnell bewegte Balken einzuholen.

Dieses Muster ähnelt der Art und Weise, wie unsere eigenen Augen bewegte Objekte verfolgen.

„Wenn unsere Augen einem sich schnell bewegenden Objekt folgen, wie zum Beispiel einer Kuh, die während einer langweiligen Zugfahrt an uns vorbeiläuft, neigen wir dazu, gleichmäßige, kontinuierliche Augenbewegungen zu sehen, aber nur, wenn sich das Objekt relativ zu uns langsam bewegt. Wenn wir schneller vorbeirasen, wechseln unsere Augen zu schnellen Sakkaden, um mitzuhalten“, sagte Martha Rimniceanu, Doktorandin an der UCLA und Hauptautorin der Studie.

Wir waren begeistert, dass wir bei eng verwandten Fliegenarten unterschiedliche Verwendungen von sanften Augenbewegungen und Sakkaden entdeckten. Wir glauben, dass dies eine Anpassung an die Struktur ihrer natürlichen visuellen Umgebung ist.“

Die Wüstenfliegen reagierten auf die Bewegung des Balkens vor einem stationären Hintergrund, indem sie eine „Fixieren und Sakkaden“-Strategie anwandten, um dem Balken reibungslos zu folgen. Stadtfliegen fixierten den Hintergrund, nicht den Balken, und orientierten sich mit Sakkaden auf den Balken zu, die die gleichmäßige Stabilität außer Kraft setzten.

„Grundsätzlich fixieren sich die Wüstenfliegen auf die Stange, um ihr Gleichgewicht und ihre Stabilität zu halten, während sie sich gleichzeitig auf sie als interessantes Objekt ausrichten. Die Stadtfliegen fixierten sich sanft auf den Hintergrund, um ihr Gleichgewicht zu halten, und nutzten dann ausschließlich schnelle Sakkadenbewegungen, um zur Stange zu navigieren“, sagte Frye.

Die Forschung zeigte, dass unabhängig davon, ob zwei Arten eng verwandt sind oder nicht, ihre visuelle Umgebung ihre visuelle Navigationstaktik bestimmt.

Fruchtfliegen werden häufig in Experimenten zur visuellen Wahrnehmung und Verarbeitung verwendet. Die Entdeckung, dass nicht alle Fruchtfliegenarten ihre Umgebung auf die gleiche Weise navigieren, erweitert die Möglichkeiten für Wissenschaftler, Erkenntnisse zu gewinnen. Die visuelle Navigation von Wüstenfruchtfliegen ähnelt beispielsweise stärker der des Menschen als die von Stadtfruchtfliegen, und sie könnten als Modell verwendet werden, um mehr über das Sehvermögen des Menschen zu erfahren. Die Informationen können auch zur Entwicklung autonomer Fahrzeuge verwendet werden.

„Wir können die Forschung auf unsere Fragen zuschneiden, statt uns darauf zu beschränken, was die Fliege uns liefert“, sagte Frye.