Das larvale 4D Standardgehirn von Drosophila melanogaster analysiert auf Einzelzell-Ebene

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Dorit Merhof; Professor Dr. Andreas Stephan Thum
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266382180

Wie organsiert ein Gehirn Verhalten basierend auf sensorischem Input, Motivation oder aufgrund erworbener Erfahrung? Obwohl es in den letzten Jahrhunderten gelungen ist, bestimmte Aspekte von Verhalten speziellen Gehirnarealen zuzuordnen, können interessanterweise diese Ergebnisse nur schwer in Modelle übertragen werden. Auch heute existiert noch kein einfaches, generell akzeptiertes Model zur Funktionsweise des Gehirns. Vergleicht man Modelorganismen untereinander, so zeigt sich, dass die Fruchtfliege Drosophila eine wichtige Position einnimmt, flankiert von extrem einfachen Formen (z.B. C. elegans oder Aplysia), die nur eingeschränkt einen Vergleich zum Menschen erlauben und komplexeren Vertebraten Systemen (z.B. Maus oder Zebrafisch), welche nummerische, ethische und technische Probleme zeigen. Derzeit gibt es Anstrengungen für Drosophila das larvale Gehirn durch serielle Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zu entschlüsseln und andererseits einen 3D Atlas des Fliegengehirns zu etablieren, basierend auf Gehirnscans von verschiedene GAL4 Fliegenlinien mittels Konfokaler Mikroskopie. Leider unterliegen beide Methoden biologischen Beschränkungen. Die TEM Methode ist limitiert auf die anatomische Analyse eines einzigen Gehirns, erlaubt jedoch aufgrund seiner hohen Auflösung die Etablierung des Konnektoms. Ein 3D Gehirnatlas für die Fliege bietet zwar die Möglichkeit anatomische und funktionelle Studien zu verbinden, jedoch verhindert die Komplexität des Fliegengehirns (ca. 200.000 Nervenzellen) eine vollständige Analyse. Es ist das Ziel dieser Arbeit das Gehirn von Drosophila (ca. 10.000 Neuronen) während seiner larvalen Entwicklung in seiner Gesamtheit anatomisch zu rekonstruieren. Basierend auf tausenden von GAL4, LexA und Split-GAL4 Linien soll ein Set von genetischen Werkzeugen definiert werden, dass erlaubt einzelne Zelltypen im Larvengehirn genetisch zu manipulieren. Das Forschungsvorhaben wird unterstützt von B. Dickson und J. Truman (HHMI Janelia Farm USA) durch Zugang zum weltweit größten Set an transgenen Drosophila und anatomischen Rohdaten derer larvalen Gehirne. Das vorgestellte Vorhaben beinhaltet die Arbeit von drei verschiedenen Gruppen aus dem Bereich der Neurobiologie und Informatik. 1) Das Thum Labor wird die Neuronen in den Expressionsmustern dieser Linien immunohistochemisch und mittels konfokaler Mikroskopie visualisieren und funktionell analysieren. 3) Das Merhof Labor wird die Neurone auf ein larvales Standardgehirn registrieren. 4) Das Bühler Labor wird die prozessierten Daten organisieren, visualisieren und in Form einer open access Datenbank zur Verfügung stellen. Somit kann erstmals der stetig wachsenden Gruppe an europäischen Forschern, welche die Neurobiologie der Fliegenlarve untersucht, eine gemeinsame Basis geboten werden. Die Ergebnisse dieses Projekts werden ein wichtiger Grundstein für Arbeiten zur anatomischen, entwicklungsbiologischen und funktionalen Erforschung des larvalen Gehirns sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerin: Dr. Katja Bühler