Das Verhalten von Tieren beruht bekanntermaßen auf der Umwandlung sensorischer Informationen in motorische Befehle, die häufig von den inneren Bedürfnissen des Tieres beeinflusst werden. Während dieser Prozess bei Säugetieren und anderen großen Tieren durch komplexe Gehirnprozesse unterstützt wird, könnten einfachere Versionen davon auch das Verhalten kleinerer Lebewesen, einschließlich Insekten, steuern.
Um ihre Aktionen zu planen, wenn keine sensorischen Reize verfügbar sind, verlassen sich manche Tiere stattdessen auf interne Repräsentationen ihrer Beziehung zu ihrer Umgebung. Diese Repräsentationen können Informationen enthalten, die mit ihrer Kopfrichtung zusammenhängen oder von Ortszellen gesammelt werden, Neuronen im Hippocampus, die interne „Karten“ der Umgebung bilden.
Forscher am Howard Hughes Medical Institute haben kürzlich untersucht, wie Fruchtfliegen gleichzeitig neue Umgebungen kartieren und diese internen Repräsentationen nutzen, um zu lernen, welche Ziele sie verfolgen sollen. Ihr Artikel, veröffentlicht In Neuronbietet neue Erkenntnisse darüber, wie interne Repräsentationen das zielgerichtete Verhalten von Tieren steuern können.
„Ziele an räumliche Darstellungen zu binden, ermöglicht flexible Navigation, ist aber in neuen Umgebungen eine Herausforderung, wenn beide Darstellungen gleichzeitig erfasst werden müssen“, schrieben Chuntao Dan, Brad K. Hulse und ihre Kollegen in ihrem Artikel. „Wir schlagen einen Rahmen vor, wie Drosophila interne Darstellungen der Kopfrichtung (HD) verwendet, um Zieldarstellungen bei selektiver thermischer Verstärkung aufzubauen.“
Die Forscher führten Experimente an Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) durch. Das Verhalten der Fliegen wurde durch Hitze konditioniert, die mit verschiedenen Vorkommnissen sich wiederholender visueller Muster verknüpft war.
Diese visuellen Muster veränderten die internen HD-Darstellungen der Fliegen, sodass die Forscher beobachten konnten, wie die Entwicklung der HD-Darstellungen mit den Zielen der Fliegen interagierte und letztlich ihr Verhalten prägte. Mithilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens und Daten, die in früheren Studien an Fruchtfliegen gesammelt wurden, versuchten die Forscher herauszufinden, wie diese Prozesse in einem Bereich des Insektengehirns ablaufen könnten, der als Zentralkomplex (CX) bezeichnet wird.
„Wir zeigen, dass Fliegen stochastisch erzeugte Fixationen und gerichtete Sakkaden verwenden, um Richtungspräferenzen in einem operanten visuellen Lernparadigma auszudrücken, und dass HD-Neuronen erforderlich sind, um diese Präferenzen basierend auf Verstärkung zu ändern“, schrieben Dan, Hulse und ihre Kollegen. „Wir haben eine symmetrische visuelle Umgebung verwendet, um aufzuzeigen, wie sich die HD- und Zieldarstellungen der Fliegen gemeinsam entwickeln und wie sich die Zuverlässigkeit dieser interagierenden Darstellungen auf das Verhalten auswirkt.“
Die Ergebnisse dieser aktuellen Studie bieten neue Einblicke darin, wie Fliegen beim ersten Erleben einer neuen Umgebung gleichzeitig ihre Umgebung kartieren und interne Ziele mit erstellten Karten verknüpfen. Durch die Analyse ihrer experimentellen Daten und zuvor mithilfe von Computermodellen gesammelter Ergebnisse erstellten die Forscher dann einen Rahmen, der beschreibt, wie das Gehirn von Fruchtfliegen das zielgerichtete Verhalten der Insekten in neuen Umgebungen unterstützt.
„Wir beschreiben, wie das schnelle Erlernen neuer Zielvorgaben auf einer Verhaltensstrategie beruhen kann, deren Parameter zwar flexibel sind, deren Form jedoch genetisch in der Schaltkreisarchitektur kodiert ist“, schrieben Dan, Hulse und ihre Kollegen. „Solche evolutionär strukturierten Architekturen, die ein sich schnell anpassendes Verhalten ermöglichen, das von internen Repräsentationen gesteuert wird, könnten für alle Arten relevant sein.“
Das Team führte seine Experimente an Fruchtfliegen durch. Es stellte sich heraus, dass ähnliche Schaltkreisarchitekturen und -prozesse auch bei anderen Arten existieren könnten. Zukünftige Studien mit genetischen Methoden könnten weiteres Licht auf die Zellen werfen, die den von den Forschern identifizierten zielgerichteten Lernprozess vermitteln, oder könnten helfen, analoge Prozesse bei anderen Tieren zu identifizieren.
Weitere Informationen:
Chuntao Dan et al., Eine neuronale Schaltkreisarchitektur für schnelles Lernen bei zielgerichteter Navigation, Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.036
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