Neuronale Kontrolle akustischer Signale in Drosophila

Das Nervensystem ist aus funktionalen Einheiten, sog. neuronalen Schaltkreisen ("neuronal circuits") aufgebaut. Das Verstehen der zellulären Zusammensetzung, der Konnektivität und der Funktionsweise dieser Schaltkreise ist eine fundamentale Aufgabe der Neurowissenschaften. Akustische Kommunikation spielt eine wichtige Rolle im Paarungsverhalten von Drosophila. Die männliche Fliege erzeugt einen artspezifischen Pulsgesang, indem sie einen Flügel vibriert. Das Hervorbringen des Balzgesangs ist angeboren und wird von stereotypen Neuronen kontrolliert, die den putativen Transkriptionsfaktor fruitless (fru) exprimieren. Diese "Gesangsneuronen" sind Teil eines hypothetischen geschlechtsspezifischen Schaltkreises, der zentrale Hirnbereiche mit einem zentralem Mustergenerator im Bauchmark verbindet und letzlich die Motorneuronen aktiviert, die die Flügelbewegungen steuern. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, diesen Schaltkreis für akustische Signalproduktion in Drosophila zu entschlüsseln und ein funktionales Modell zu erstellen, wie die Signalproduktion und das Gesangsverhalten vom Nervensystem gesteuert wird. Es ist geplant, eine Vielzahl der an der Gesangsproduktion beteiligte Neuronen durch die Kombination aus einem anatomischen und verhaltensbiologischen Screen von neuronal exprimierten "enhancer tile" GAL4 Linien zu identifizieren. Des weiteren soll untersucht werden, wie die rhythmischen Signale des Balzlieds entstehen, wie sich die neuronale Kontrolle des Flugs von der des Balzgesangs unterscheidet und welche Rolle sensorischer Feedback während des Singens spielt. Die Konnektivität und Funktion des Schaltkreises wird mittels von Gfp Rekonstitution Experimenten (GRASP), Versuchen zur neuronalen Epistase, funktionaler Konfokalmikroskopie und Elektrophysiologie analysiert werden. Ein zusätzlicher Fokus des Projekts ist es, geschlechtsspezifischen Unterschiede des Schaltkreises zu charakterisieren und den modulatorischen Einfluss von fru zu erforschen. Die akustische Signalproduktion von Drosophila ist ein ideales Modellsystem, um einen stereotyp angelegten neuronalen Schaltkreis, der ein spezifisches angeborenenes Verhalten steuert, auf zellulärer Ebene zu verstehen. Es ist anzunehmen, dass die grundlegenden Prinzipien, wie Verhaltensschritte eingeschlagen und motorische Muster während der Gesangsproduktion erzeugt werden, von allgemeiner Gültigkeit und Bedeutung für das Verstehen von neuronalen Schaltkreisen im weitesten Sinne sind.

In diesem Projekt wurde untersucht, wie das Nervensystem akustische Signale hervorbringt und welche Gene und Nervenzellen angeborenes Verhalten steuern und koordinieren. Das Nervensystem ist aus funktionalen Einheiten, sog. neuronalen Schaltkreisen (neuronal circuits) aufgebaut. Das Verstehen der zellulären Zusammensetzung, der Konnektivität und der Funktionsweise dieser Schaltkreise ist eine fundamentale Aufgabe der Neurowissenschaften. Da die Organisationsprinzipien des Nervensystems, die physiologischen Eigenschaften der Nervenzellen und die Genexpression evolutionär konserviert sind, ist die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ein Modellorganismus, anhand dessen für den Menschen und die Humanmedizin relevante Erkenntnisse über das Nervensystem gewonnen werden können. Akustische Kommunikation spielt eine wichtige Rolle im Paarungsverhalten von Drosophila. Die männliche Fliege erzeugt einen artspezifischen Pulsgesang, indem sie einen Flügel vibriert. Eine Vielzahl von verschiedenen Genen, die in spezifisch verknüpften Nervenzellen angeschaltet werden, ist für das Hervorbringen dieses Verhaltens erforderlich.Im Projekt wurden zunächst Nervenzellen für motorische Feinkontrolle und Mustererzeugung identifiziert. Wenn diese Nervenzellen stillgelegt werden, kann die Fliege entweder keinen Gesang mehr hervorbringen oder produziert Gesang mit verschiedenen Klassen von charakteristischen Defekten. Einige der identifizierten Nervenzellen sind bifunktional, d.h. sie werden auch für das Flugverhalten benötigt. Zudem wurde entschlüsselt, wie drei verschiedene splice Varianten des Gens fruitless, die nur im Männchen angeschaltet sind, geschlechtsspezifische Unterschiede im Nervensystem hervorbringen und auf diese Weise das Gesangsverhalten beeinflussen. Alle drei Varianten des Genprodukts sind für korrekten Gesang erforderlich und entsprechende Mutanten zeigen ein verändertes motorisches Muster. Eine Variante sticht dadurch hervor, dass ihr Fehlen im männlichen Nervensystem dazu führt, dass bestimmte geschlechtsspezifische Nervenzellen eine weibliche Morphologie annehmen und in Folge dessen für das Gesangsverhalten wichtige Reize nicht mehr normal verarbeiten können. Diese Arbeit hat somit dazu beigetragen, anhand eines Modellorganismus zu verstehen, wie Gene und Genvarianten in Schaltkreisen definierter Nervenzellen wirken, um präzise gesteuertes motorisches Verhalten hervorzubringen.