Der Flug von Insekten mag mühelos aussehen, aber wie bei jedem Tier wären ihre Bewegungen ohne ein kompliziertes System von neuronalen Signalen und Muskelreaktionen, um sie zu stabilisieren und zu steuern, völlig ungleichmäßig.
Eine von der Cornell University geleitete Zusammenarbeit hat eine Kombination aus gezielter neuronaler Manipulation und magnetischer Störung verwendet, um die beiden Komponenten des Flugstabilisierungssystems einer Fruchtfliege zu lokalisieren. Insbesondere identifizierten die Forscher zwei Elemente des Lenkmuskelsystems, die für die Aktivierung von zwei separaten Steuersignalen verantwortlich sind, die es dem Insekt ermöglichen, seine Neigung zu stabilisieren: Winkelverschiebung und Winkelgeschwindigkeit. Der Befund liefert Hinweise auf ein Organisationsprinzip, bei dem jeder Muskel eine bestimmte Funktion bei der Flugsteuerung hat.
Das Papier der Gruppe, „Neuromuscular Embodiment of Feedback Control Elements in Drosophila Flight“, veröffentlicht am 14. Dezember in Wissenschaftliche Fortschritte.
Um dieses komplexe neuromuskuläre System zu analysieren, untersuchte das Team unter der Leitung des leitenden Autors Itai Cohen, Professor für Physik am College of Arts and Sciences, gentechnisch veränderte Fliegen, um eine Technik namens Optogenetik zu nutzen, die Licht installiert. empfindliche Kanäle auf bestimmten Neuronen. Indem sie ein Licht im laufenden Betrieb beleuchteten, konnten die Forscher bestimmte Motoneuronen ein- oder ausschalten und so die Funktion des Muskels beeinflussen, den dieses Neuron aktiviert.
Außerdem hatte jede Fliege kleine ferromagnetische Stifte, die auf der dorsalen Seite ihres Brustkorbs geklebt waren, was es den Forschern ermöglichte, ihren Flug durch Anlegen eines Magnetfelds zu unterbrechen. Die Störung führte dazu, dass die Fliege nach vorne oder hinten kippte – im Wesentlichen „stolperte“ die Fliege mitten in der Luft – und mit drei Hochgeschwindigkeitskameras, die mit 8.000 Bildern pro Sekunde filmten, erfassten die Forscher die Bemühungen der Fliege, ein korrigierendes Drehmoment zu erzeugen und sich davon zu erholen diese Störung.
Der Stabilisierungsreflex der Fliege beginnt mit dem Halfter, einem Sinnesapparat, der eigentlich ein Überbleibsel des dritten und vierten Flügels der Fliege ist und als eine Art Gleichgewichtsorgan dient. Das Halfter registriert die Rotationsgeschwindigkeit des Körpers der Fliege und sendet dann eine schnelle Rückmeldung über einen neuronalen Schaltkreis an die 12 Flügelmuskeln der Fliege, die sie steuern und stabilisieren.
Die Forscher modellierten diese Reflexe mit einem sogenannten Proportional-Integral-Regler – einer Art Regelkreis, der Rückkopplungen kompensiert, ähnlich wie Tempomatsysteme in Autos.
„Sie speisen die Informationen von sensorischen Systemen zu diesen beiden Komponenten des Controllers, dem integralen Teil und dem proportionalen Teil, die zusammengezählt werden“, sagte Cohen. „Dieses kombinierte Signal bestimmt über die Flügelmuskeln den neuen Flügelschlagparameter, der ein korrigierendes aerodynamisches Drehmoment liefert, das auf den Fliegenkörper wirkt, der dann auf den Sensor wirkt und einen geschlossenen Kreislauf bereitstellt.“
Die Forscher stellten fest, dass die b1- und b2-Muskeln der Fliege direkt für die Winkelverschiebung (der integrale Term) und die Winkelgeschwindigkeit (der proportionale Term) verantwortlich waren, die den Vorwärtsschwenkwinkel des Flügels bestimmen.
Cohen und Whitehead arbeiteten mit einer Reihe von Mitarbeitern zusammen, darunter Co-Autor Nilay Yapici, Assistenzprofessor für Neurobiologie und Verhalten, und Nancy und Peter Meinig Family Investigator in den Biowissenschaften; Jesse Goldberg, außerordentlicher Professor für Neurobiologie und Verhalten; und Joseph Fetcho, Dr. David und Dorothy Joslovitz Merksamer Professor of Biological Science, alle am College of Arts and Sciences.
„Was auf dem Spiel steht, ist zu verstehen, wie ein biologisches System wie die Fliege mithilfe von Neuronen und Muskeln eine Kontrollstrategie umsetzt, die in menschengemachten Systemen allgegenwärtig ist“, sagte Whitehead. „Wir freuen uns besonders, dass unsere Ergebnisse nicht nur ein erster Schritt in diese Richtung sind, sondern auch ein Machbarkeitsnachweis für zukünftige Studien, die diese neuronalen Schaltkreise ganzheitlicher untersuchen.“
Zu den Co-Autoren gehören der Postdoktorand Matt Meiselman; und Forscher der Villanova University, des California Institute of Technology, der Johns Hopkins University und des Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute.
Mehr Informationen:
Samuel C. Whitehead et al, Neuromuskuläre Verkörperung von Feedback-Kontrollelementen im Drosophila-Flug, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo7461