Virtuelle Reise im Labor


Wie finden Fliegen und Ameisen ihren Weg? Dieser Frage geht die Neurowissenschaftlerin Hannah Haberkahn mit der neuen Emmy Noether Jr. Research Group nach. Dazu zog sie von Amerika nach Würzburg.

Wenn eine Fliege auf Nahrungssuche in freier Wildbahn auf eine Nahrungsquelle, beispielsweise verrottendes Obst, stößt, muss sie entscheiden, ob sie sich dort niederlässt oder die Erkundung fortsetzt. Wenn sie sich dazu entschließt, weiterzufliegen, aber keine bessere Alternative findet, wird sie den Weg zurück zum Fruchtstück finden, auch wenn Orientierungspunkte wie die Sonne längst hinter dunklen Wolken verschwunden sind.

wie eine Fruchtfliege Drosophila Und bestimmte Wüstenameisen schaffen es, ihre Umgebung zu umgehen und gezielt bestimmte Punkte anzusteuern. Das sagt der Neurowissenschaftler Dr. Hanna Haberkern beteiligt sich an einem neuen Forschungsprojekt an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) in Würzburg.

Dank einer Spende der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in Höhe von rund zwei Millionen Euro kann sie nun eine eigene Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe aufbauen. Sie hat sechs Jahre Zeit, sich eingehend mit „Behavioral Strategies and Neural Mechanisms for Robust Navigation“ zu befassen, so der Name des Projekts.

Fly Brain-Straßenkarte

„Mich interessiert, wie sich diese Insekten trotz ihres relativ kleinen Nervensystems unter wechselnden Umweltbedingungen präzise bewegen können.“ Ihr Plan besteht darin, zu verstehen, welche Teile des Nervensystems das Verhalten steuern, welche Schaltkreise aktiv sind und wie alles vom Lichtreiz, der in das Auge gelangt, bis zu seiner Verarbeitung im Augenzentrum erfolgt. Ziel ist es, herauszufinden, ob störende Informationen blockiert werden. bis hin zu den einzelnen Nervenzellen. Fliegengehirn.

Ihr zu helfen ist Drosophila-Das Gehirn ist äußerst komplex und besteht aus etwa 200.000 Neuronen und mehreren zehn Millionen Verbindungen zwischen ihnen. Aber das ist nur ein winziger Bruchteil des Mausgehirns und seiner 70 Millionen Neuronen, ganz zu schweigen vom menschlichen Gehirn, das aus 80 bis 100 Milliarden Neuronen besteht.

Hilfreich werden auch Ergebnisse aus der Grundlagenforschung sein, an der Haberkahn an seinem bisherigen Forschungsstandort, dem HHMI Janelia Research Campus nahe Washington, DC (USA), beteiligt war. In den letzten Jahren hat dort ein Team von Wissenschaftlern mit Google zusammengearbeitet, um Neuronen und Synapsen in Teilen des Fliegengehirns zu kartieren und ein umfassendes Schema namens Konnektom zu erstellen.

Erfahren Sie mehr über die Informationsverarbeitung

Das Team konzentrierte sich auf den zentralen Komplex, der eine Schlüsselrolle bei der Navigation spielt. Dabei identifizierten sie zahlreiche neue Neuronentypen und entdeckten neuronale Schaltkreise, die den Fliegen offenbar dabei helfen, sich in der Welt zurechtzufinden.

Wer sich fragt, ob schon alle Fragen beantwortet sind, der irrt. „Wir müssen das Connectome als eine Art Straßenkarte verstehen, in der alle Straßen, Wege und Kreuzungen aufgeführt sind“, sagen die Wissenschaftler. Doch allein der Plan in der Hand sagt uns noch nicht, wie der Verkehr dort ablaufen wird oder, bildlich gesprochen, wie im Falle einer Fliege die Informationen verarbeitet und Maßnahmen eingeleitet werden.

Sensible Forschung

Wenn Hannah Haberkahn im Labor mit Fliegen arbeitet, die nur wenige Millimeter groß sind, braucht sie Feingefühl und eine ruhige Hand. „Ich betrachte die Fähigkeit, in einer virtuellen Umgebung zu navigieren“, erklärt sie ihren Ansatz. Das Insekt wird unter dem Mikroskop stationär gehalten, sodass es auf einer kleinen Kugel laufen kann, die sich mit geringem Widerstand in einem Luftstrom drehen kann. Sie bewegen sich nicht von ihrem Platz.

Abhängig von der virtuellen Umgebung, die Haberköln präsentiert, ändert sich jedoch die Laufrichtung und auch die Richtung, in die sich der Ball unter Ihren Füßen bewegt. Dadurch weiß Haberkern, wohin sich die Fliege gedreht hat und wie weit sie geflogen ist. Gleichzeitig wird mit speziellen Testverfahren die Aktivität von Neuronen im Gehirn der Fliege aufgezeichnet und so ein präzises Bild der beteiligten neuronalen Prozesse gewonnen.

Selbst in einer virtuellen Umgebung sieht es real aus. „Ich bemühe mich, wichtige Aspekte der natürlichen Umwelt ins Labor zu bringen, damit wir das Verhalten von Fliegen unter pseudorealistischen Bedingungen untersuchen können“, sagt Haberkern. Sonnenstand, Wolken, Gras, Schatten: Diese und viele andere Aspekte berücksichtigen Wissenschaftler. Die Experimente mit Ameisen basieren auf Feldversuchen, die von Forschungsteams unter anderem an der Universität Würzburg durchgeführt wurden.

Rückkehr an die Universität Würzburg

Hannah Haberkahn absolvierte von 2009 bis 2012 ihren MSc in Computational Biology und Bioinformatik an der ETH Zürich und anschließend als Doktorandin und Ph.D. in Neurowissenschaften an der HHMI der University of Cambridge (UK). und forschte 14 Jahre lang im Ausland. Janelia Forschungscampus, USA. Die Universität und die Stadt Würzburg sind ihr bestens bekannt. Von 2006 bis 2009 absolvierte sie hier ihr Bachelorstudium der Biomedizinischen Wissenschaften.

Natürlich waren sentimentale Erinnerungen an diese Zeit nicht der Grund, warum Hannah Haberkahn mit der Emmy Noether-Gruppe an die JMU kam. „An der Universität Würzburg haben Sie alles, was Sie für Ihre Forschung brauchen, unter einem Dach“, sagt sie.

Angefangen bei Experten auf dem Gebiet der Physiologie und Verhaltensforschung von Wüstenameisen, Drosophila Von der notwendigen Technologie, wie beispielsweise der auf Insekten zugeschnittenen Elektronenmikroskopie, bis hin zu jahrelanger Erfahrung in der Aufzucht und Erhaltung dieser Tiere bietet die JMU ein Umfeld, in dem die Forschung wirklich vom ersten Tag an beginnen kann.

Kontakt

DR. Hannah Haberkern, Emmy Noether-Nachwuchsgruppe: Verhaltensstrategien und neuronale Mechanismen für robuste Navigation, T: +49 931 31-88604, hannah.haberkern@uni-wuerzburg.de



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