Zelluläre Untersuchung der neuronalen Netzwerke zur Verarbeitung und Integration von visuellen Himmelsreizen im Gehirn der Fruchtfliege Drosophila melanogaster

• Antragsteller: Professor Dr. Mathias Wernet
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Entwicklungsneurobiologie ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453647884

Visuelle Systeme müssen Information zu verschiedenen visuelle Reize extrahieren, verarbeiten und integrieren, um Verhaltensantworten zu steuern. Die Untersuchung der neuronalen Netzwerke im Insektengehirn zur Verarbeitung und Integration von visuellen Himmelsreizen wie Polarisation, Farbgradienten, oder Objekten sind ideal geeignet, um Verarbeitung und Integration zu verstehen, von der zellulär/synaptischen Ebene, zur physiologischen/Verhaltensebene. Das Ziel dieses Antrags ist eine umfassende funktionelle Beschreibung der zugrunde liegenden Netzwerkmechanismen im Vergleich mit anderen sensorischen Systemen bei Benutzung von Drosophila melanogaster als Modell. Viele Insekten nutzen visuelle Himmelsreize für die Navigation über weite Strecken und lokale Orientierungsaufgaben. In diesem ‘Kompassnetzwerk’ werden verschiedene Himmelsreize wie das Polarisationsmuster, Farb- oder Intensitätsgradienten oder die Position des Himmelskörpers via paralleler Kanäle zum zentralen Gehirn geleitet. Elektrophysiologische Messungen an Heuschrecken zeigen dass die Integration von Polarisation und Farbe bereits in Zeltypen des optischen Lobus beginnt und im ‘anterioren optischen Tuberkel’ (AOTU), einem optischen Glomerulus des Zentragehirns und Umschaltstelle zum Zentralkomplex, prominenter wird. Fruchtfliegen benutzen wie viele anderen Insekten polarisiertes Himmelslicht zur Orientierung unter freiem Himmel, sowie im Labor. Spezialisierte Photorezeptoren mit polarisationssensitiven physiologischen Antworten existieren in einer spezialiserten ‘dorsalen Randregion’ des Auges. In Vorbereitung auf diesen Antrag haben wir vorläufige Resultate gesammelt, welche die experimentellen Ansätze formen: Wir werden die molekulargenetischen Möglichkeiten des Drosophila-Systems nutzen, um wichtige offene Fragen zur funktionellen Verschaltung des Polarisations-Netzwerks, sowie den zellulären Einheiten zur Integration mit anderen Himmelsreizen, zu beantworten: (1) Die Aktivität spezifischer Zelltypen wird mit genetisch kodierten Sensoren visualisiert und ihre Wichtigkeit für das Navigationsverhalten via Inaktivierung gestestet; (2) Elektronenmikroskopische Daten zum gesamten Fliegengehirn (das ‘Konnektom’) wird genutzt um Anzahl und Verteilung von Synapsen zwischen spezifischen Zelltypen zu kartieren; (3) Funktionelle synaptische Verbindungen werden durch systematische Manipulation von Zelltypen, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der physiologischen Antworten nachgeschalteter Zellen im Zentralgehirn bestätigt; (4) Die mechanistische Rolle bestimmter Neurotransmitter und ihrer Rezeptoren wird durch genetische Mutanten und zelltyp-spezifischer Restitution ergründet. Trotz Studien zur Verarbeitung von Polarisation, Farbe, und Objekten bleiben funktionelle Konnektivität und Integration im Kompassnetzwerks unklar. Wir werden diese Wissenslücke durch Untersuchung der neuronalen Verbindungen zwichen Auge und AOTU via anatomischer, physiologischer und Verhaltensexperimente schliessen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen