Miniatur-Laufbänder beschleunigen die Erforschung laufender Insekten

Durch das Laufen auf Miniatur-Laufbändern können Wissenschaftler besser verstehen, wie das Nervensystem Tieren die Fortbewegung in einer unvorhersehbaren und komplexen Welt ermöglicht.

Erkenntnisse aus der Verwendung dieser Laufbänder in Fruchtfliegengröße wurden am 30. August in Aktuelle Biologie. Mehrere Videos der Fliegen, die auf den Laufbändern laufen, können in der Online-Forschungsarbeit angesehen werden. Der Hauptautor ist Brandon G. Pratt, ein frischgebackener Absolvent der University of Washington School of Medicine in Seattle mit einem Doktortitel in Physiologie und Biophysik und Graduate Research Fellow der National Science Foundation.

Er konstruierte die kleinen Maschinen aus preiswerten Teilen, basierend auf einem Prototyp von Max Mauer, einem Maschinenbau-Absolventen der UW.

Pratt und seine Forscherkollegen erklärten, dass laufende Tiere, darunter auch Insekten und Menschen, unerwartete Veränderungen unter ihren Füßen erkennen und schnell darauf reagieren müssen. Wäre ein Tier dazu nicht in der Lage, wäre es ihm fast unmöglich, sich in der Welt zurechtzufinden, und es wäre wahrscheinlich, dass es sich durch Stürze verletzt.

Wie erkennt das Nervensystem diese unerwarteten Ereignisse und steuert den Körper, um während der Fortbewegung das Gleichgewicht wiederherzustellen? Diese Frage wird im Labor von John Tuthill am Institut für Physiologie und Biophysik der Universität Washington untersucht, wo Tuthill außerordentlicher Professor ist und Pratt seine Doktorarbeit verfasste. Auch die Laborkollegen Su-Yee J. Lee und Grant M. Chou haben zu diesem Projekt beigetragen.

Tuthills Labor untersucht die Propriozeption: wie der Körper seine Artikulation und Bewegung kontinuierlich wahrnimmt. Krankheiten, Verletzungen und andere Faktoren können die Fähigkeit von Menschen und Tieren beeinträchtigen, ihre Körper zu koordinieren und einfache Aufgaben wie das Greifen eines Glases Wasser oder das Gehen von ein paar Metern behindern.

Die Untersuchung, wie die Propriozeption den Körper steuert, wenn er während der Fortbewegung aus dem Gleichgewicht gerät, ist eine grundlegende Herausforderung für Neurowissenschaftler. Experimentelle Störungen der Propriozeption können das Verhalten von Tieren einschränken und dadurch die Bemühungen zunichte machen, die Rolle der Propriozeption bei natürlichen Aktivitäten wie dem Gehen zu untersuchen.

In der Vergangenheit haben Laufbänder den Bewegungsdrang von Tieren nach Störungen des Nervensystems erfolgreich wieder geweckt. Laufbänder haben dazu beigetragen, Einblicke in die neuronale Steuerung des Gehens und Laufens bei Wirbellosen (Tieren ohne Rückgrat) wie Kakerlaken und Stabheuschrecken sowie bei Wirbeltieren wie Nagetieren, Katzen und Menschen zu gewinnen.

Split-Belt-Laufbänder haben zwei Bänder, die sich unabhängig voneinander bewegen. Forscher untersuchen damit, wie sich die Koordination zwischen den Beinen anpasst, wenn sich die Beine auf der linken Körperseite mit einer anderen Geschwindigkeit bewegen als die auf der rechten. Diese Laufbänder haben bei der klinischen Beurteilung von Schlaganfallpatienten eine Rolle gespielt.

Beide Laufbandsysteme inspirierten die Forscher im Tuthill-Labor dazu, Miniaturversionen zu entwickeln, um die Fortbewegung von Fruchtfliegen zu untersuchen. Diese winzigen Lebewesen sind ein gutes Modellsystem, um die neuronale Steuerung der Fortbewegung zu untersuchen, da sie über ein kompaktes, vollständig kartiertes Nervensystem verfügen. Darüber hinaus ermöglicht eine Reihe genetischer Werkzeuge den Wissenschaftlern, das Nervensystem der Fliegen präzise und gezielt zu manipulieren.

Das lineare Laufbandsystem in Tuthills Labor zwingt Fliegen zum Gehen und ermöglicht eine langfristige 3D-Verfolgung. Die Forscher konnten das Gehen bei verschiedenen Geschwindigkeiten bei Fliegen mit und ohne beeinträchtigte Propriozeption analysieren.

Auf dem Laufband liefen die Fliegen in Schüben, sprinteten zur Vorderseite der Laufbandkammer und liefen dann auf dem Band nach hinten. Sie verbrachten ungefähr die Hälfte ihrer Zeit mit Gehen. Sie beschleunigten, wenn das Band schneller wurde. Genau wie bei Menschen und Kakerlaken nahm ihre Körpergröße zu, wenn sie schneller gingen. Indem die Forscher in ihren Experimenten das Laufband verwendeten, erreichten sie die höchste jemals für Fruchtfliegen gemessene Gehgeschwindigkeit.

„Sie waren in der Lage, eine momentane Gehgeschwindigkeit von über 50 Millimetern pro Sekunde zu erreichen“, stellten die Forscher fest.

Die Forscher schalteten außerdem die für die Propriozeption verantwortlichen Neuronen genetisch ab und ließen die Insekten auf dem Laufband laufen. Ohne dieses sensorische Feedback machten die Fliegen weniger, aber dafür größere Schritte. Überraschenderweise schien die Koordination ihrer Beine davon nicht betroffen zu sein – vielleicht, weil andere propriozeptive Neuronen für die Koordination des Gehens wichtiger sind, oder weil das Nervensystem den Mangel an Feedback kompensiert hat.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass das Laufband mit geteiltem Band wenig Einfluss auf die Koordination zwischen den Beinen hatte. Die Fliegen veränderten jedoch die Schrittweite ihrer Mittelbeine erheblich, wenn sich die beiden Bänder mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegten. Die Forscher vermuten, dass die Fliegen ihre Schritte so modifizieren, dass sie bei Rotationsstörungen weiter geradeaus laufen.

„Die Mittelbeine sind ideal positioniert, um den Körper der Fliege stabil um seinen Schwerpunkt zu drehen, so als würde man ein Boot von seiner Mitte aus rudern“, erklärten die Forscher.

Die Wissenschaftler stellten fest: „Diese Erkenntnisse veranschaulichen, wie Laufbänder eine wichtige Lücke zwischen dem freien Gehen und angebundenen Vorbereitungen zur Untersuchung neuronaler und verhaltensbezogener Mechanismen der Fliegenfortbewegung schließen.“

Die Forscher haben die Software- und Hardwaredesigns dieser Miniatur-Laufbandsysteme als kostenlose Open Source für Kollegen bereitgestellt.