Wie Fruchtfliegen das „Lenkrad“ des Gehirns steuern

Wenn wir die Straße entlanggehen, haben wir durch den Blick auf Straßenschilder und physische Orientierungspunkte ein inneres Gespür dafür, in welche Richtung wir gehen, und auch ein Gespür dafür, wohin wir gehen möchten. Aber wie koordiniert das Gehirn diese Richtungen und führt die mentale Berechnung durch, die uns sagt, in welche Richtung wir uns wenden sollen?

Neue Forschungsergebnisse beschreiben nun einen solchen neuronalen Prozess bei Fruchtfliegen und geben Aufschluss darüber, wie das Gehirn eines Tieres ihn in die richtige Richtung lenkt. Die Studie, veröffentlicht in Naturzeigt, wie Neuronen, die die Richtung signalisieren, in die sich eine Fliege gerade orientiert, mit Neuronen zusammenarbeiten, die die Richtung signalisieren, in die sich die Fliege orientieren möchte – ihre Zielrichtung –, um einen Schaltkreis zu bilden, der das Tier führt.

„Die grundlegende Frage ist, wie Gehirne die Navigation ermöglichen“, sagt Gaby Maimon von Rockefeller. „In dieser Studie beschreiben wir Neuronen, die Zielrichtungssignale liefern, sowie einen Gehirnschaltkreis, der diese Signale zur Lenkung nutzt.“

Die Zellen, die dafür verantwortlich sind, die Orientierung einer Fliege in der Welt zu signalisieren (sogenannte „Kompassneuronen“), wurden erstmals 2015 entdeckt. Einige Jahre später zeigten Arbeiten des Maimon-Labors und anderer, dass Fliegen mit defekten Kompassneuronen dazu nicht in der Lage sind geradlinig entlang einer beliebigen Zielrichtung zu navigieren.

Aufbauend auf dieser Entdeckung machte sich Peter Mussells Pires, ein Student in Maimons Labor und Hauptautor dieser Arbeit, daran, die Zellen zu entdecken, die dafür verantwortlich sind, den Zielwinkel einer Fliege zu verfolgen.

Pires und Kollegen verwendeten Zwei-Photonen-Mikroskopie, um die Neuronen von Fliegen zu überwachen, während die Insekten in einer virtuellen Umgebung auf einem luftschwebenden Ball liefen. Immer wenn die Forscher die virtuelle Umgebung drehten, drehte sich auch die Aktivität der Kompassneuronen der Fliege im Gehirn. Interessanterweise blieb jedoch eine Population von Zellen, die als FC2-Neuronen identifiziert wurden, unbewegt und konzentrierte sich auf die ursprüngliche Richtung.

„Stellen Sie sich vor, Sie gehen in Manhattan in die Innenstadt, und jemand zieht Sie an der Schulter und dreht Sie nach Osten. Etwas in Ihrem Gehirn verfolgt weiterhin, welche Richtung nach Norden führt, damit Sie zu Ihrem ursprünglichen Kurs zurückkehren können“, erklärt Maimon. „Bei Fliegen sind das FC2-Neuronen.“

Um die Rolle von FC2-Neuronen bei der Verfolgung eines Ziels zu bestätigen, verwendete das Team Optogenetik – eine Technik, die Licht nutzt, um die Aktivität von Neuronen zu steuern. Durch die Manipulation der Aktivität von FC2-Zellen konnten die Forscher die Navigationsrichtung der Fliege auf vorhersehbare Weise ändern. „Das war das Experiment, das uns wirklich davon überzeugt hat, dass diese Zellen tatsächlich das Ziel der Fliege bestimmen können“, sagt Pires.

Kopfrechnen

Nachdem die Richtungsneuronen und Zielneuronen identifiziert waren, verlagerte das Team seinen Fokus auf den Schaltkreis im Gehirn, der für die Kombination der beiden Signale verantwortlich ist. Jüngste Arbeiten zur Konkretisierung des Konnektoms des Fliegenhirns – einer Karte, die die Verbindungen zwischen verschiedenen Neuronen detailliert beschreibt – halfen den Forschern, den fraglichen Schaltkreis genauer zu bestimmen. Das Konnektom machte deutlich, dass eine Reihe von Zellen, sogenannte PFL3-Zellen, Eingaben sowohl von den Kompass- als auch von den Zielneuronen erhalten.

Eine Reihe von Experimenten bestätigte, dass PFL3-Neuronen dem Körper der Fliege sagen, in welche Richtung er sich drehen soll, indem sie das motorische System des Gehirns beeinflussen. Dazu vergleichen sie interne Kurs- und Zieleingaben und funktionieren so ein bisschen wie das Lenkrad des Navigationssystems der Fliege. Larry Abbott, ein Theoretiker an der Columbia University, arbeitete mit dem Team zusammen, um ein mathematisches Verständnis des Systems zu entwickeln.

Abbotts Modell erfasste, wie Kompass- und Zielsignale, die in Welt- oder Kartenkoordinaten (z. B. Nord/Ost/Süd/West) dargestellt werden, im Koordinatensystem des Körpers in motorbezogene Signale umgewandelt werden – also Links- und Rechtsdrehungen . Ergänzende Ergebnisse zu PFL-Neuronen, die eng mit der vorliegenden Studie verbunden sind, werden in einer Parallele detailliert beschrieben Natur Papier.

Zukünftige Arbeiten des Maimon-Labors werden sich darauf konzentrieren, wie Fliegen längerfristige räumliche Erinnerungen und Ziele aufbauen und speichern, um ihr Verhalten zu steuern. Das in dieser Studie charakterisierte Zielsignal erklärt lediglich, was die Fliegen in den nächsten Sekunden tun werden. Maimon ist auch neugierig, ob diese neuen Erkenntnisse die Entdeckung ähnlicher Gehirnschaltkreise bei Säugetieren und letztendlich auch beim Menschen beschleunigen könnten.

„Durch die Untersuchung des Fliegengehirns“, sagt er, „haben wir einen ersten Einblick in die Umsetzung eines einfachen ‚Gedankens‘ in eine Handlung gegeben. Wir hoffen, dass diese Erkenntnisse es uns ermöglichen, später komplexere Formen dieses Prozesses bei Säugetieren zu verstehen.“ Straße.“