Die Funktion neuronaler Netzwerke am Beispiel der sexuellen Konditionierung von Drosophila

Fast alle Verhaltensweisen sind durch Erfahrung modulierbar, wobei ein Individuum mit seiner Umwelt interagiert und dabei sein Verhalten den Erfordernissen anpasst. Ein wichtiges Element dieser Veränderung des Verhaltens ist die Modulierung einzelner Synapsen. Aber während die molekularen Veränderungen in eben diesen Synapsen relativ gut untersucht sind, sind die Veränderungen auf Ebene des neuronalen Netzwerkes, welche zu den Verhaltensänderungen führen noch relativ wenig verstanden. Drosophila ist ein perfekter Modell Organismus um diese Änderungen im Verhalten auf Ebene der neuronalen Netzwerke zu untersuchen. Zum einen besitzt Drosophila ein relativ kleines Hirn, welches aber trotz alledem zur Ausführung von komplexen Verhaltenmustern welche modulierbar sind, befähigt. Zum anderen existiert eine vielfältige Auswahl an genetischen Werkzeugen, um eben dieses Verhalten auf Ebene der neuronalen Verbindungen zu untersuchen. Ein besonders gut zu modulierendes Verhalten von Drosophila Männchen ist die Fähigkeit zwischen befruchteten und unbefruchteten Weibchen unterscheiden zu lernen. Während untrainierte Männchen eher promiskuitiv agieren und sowohl unbefruchtbare Weibchen als auch befruchtbare Jungfrauen zu bezirzen versuchen, sind Männchen mit Erfahrung eher wählerisch und bevorzugen befruchtbare Jungfrauen. Befruchtete Weibchen verhindern eine Kopulation aktiv und haben cVA als Zeichen, dass sie bereits befruchtet wurden. Durch seine Erfahrung eines erfolglosen Kopulationsversuches verknüpft das Männchen diese beiden Signale und wird befruchtete Weibchen in Zukunft eher meiden. In unserer letzten Arbeit konnten wir zeigen, dass dieser Lernvorgang durch ein Dopamin Signal des aSP13 Neurons an den Mushroom Body koordiniert wird. Allerdings wissen wir nicht wie dieses Dopamin Lernsignal verwendet wird um Erinnerung zu generieren, zu fixieren und wieder aufzurufen. Hier wollen wir die fehlenden in- und Output Signale bzw. Neuronen des neuronalen Netzwerkes identifizieren und charakterisieren. Dazu werden wir eine Reihe an genetischen Werkzeugen benutzen, welche für Drosophila existieren oder gerade entwickelt werden. Diese Werkzeuge, in komplexen Kombinationsmöglichkeiten verwendet werden zur Identifizierung, Visualisierung und Modifikation dieser Neuronen führen welche das oben beschrieben Verhalten steuern. Im speziellen sind wir an Neuronen die entweder Signale an aSP13 senden bzw. diesen modulieren oder Neuronen welche aus dem Mushroom Body herausleiten, um das Balzverhalten zu modulieren, interessiert. Wir denken dieser Ansatz wird es ermöglichen das Balzverhalten von Drosophila komplett zu verstehen und damit auch erklären zu können, wie eine Veränderung im Balzverhalten gesteuert wird. Des Weiteren wird unser Verständnis dieser Vorgänge in einem definierten neuronalen Netzwerk auch unser grundlegendes Verständnis davon wie Verhaltern moduliert wird beeinflussen.

Unser Ziel ist es die neuronalen Netzwerkmechanismen des Lernens und des Gedächtnisses zu identifizieren und zu verstehen. Als Modell wählten wir einen natürliche Form des Lernens, bei welcher männliche Taufliegen lernen zwischen zwei Arten von Weibchen zu unterscheiden: jungfräulichen Weibchen, die üblicherweise empfänglich sind und kürzlich gepaarten Weibchen, die neue Paarungsversuche generell zurückweisen. Nach der Zurückweisung reduzieren männliche Fliegen ihr Balzverhalten gegenüber kürzlich gepaarten Weibchen, werben jungfräuliche Weibchen jedoch unvermindert. Kürzlich legten wir wichtige Grundlagen zur Implementierung dieser Form des Lernens im männlichen Gehirn vor. Wir identifizierten eine bestimmte Klasse dopaminerger Neuronen (aSP13), welche sowohl notwendig, als auch ausreichend für diese Form des Lernens sind. Sie innervieren den gamma Lobus des Mushroom bodies (MB), ein Neuropil notwendig zur Gedächtnisbildung in Drosophila. Wir versuchten die relevanten OutputNeuronen des MB zu identifizieren um die Hypothese wonach das Gedächtnis in den Synapsen zwischen MB und MB OutputNeuronen gespeichert wird zu testen. Dazu durchsuchten wir die Wiener enhancer-Gal4 Sammlung nach Neuronen mit Dendriten im MB Lobus. Wir identifizierten eine spezifische Klasse an M6 Neuronen, welche sich an der Spitze des MB Lobus verzweigen. Den MBNeuronen nachfolgend, ist die M6 Aktivität während der Gedächtnisabrufung notwendig ist. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Funktion als MB OutputNeuron. Zusätzlich untersuchten wir die physiologische Basis des beobachteten Verhaltens mittels Optogenetik und zeigten, dass Dopamin, welches vermutlich von den aSP13 Neuronen stammt, den Output des MB Lobus zu den M6 Neuronen steuern. Somit sind die Synapsen zwischen MB und M6 wahrscheinlich Stellen synaptischer Plastizität und verantwortlich für Verhaltensmodifikationen wie die selektive Supprimierung des Balzverhaltens nach Zurückweisung durch ein kürzliche gepaartes Weibchen.