Neuronale Vernetzung im Kolissionssensor einer Heuschrecke

Die Aufklärung des Zusammenspiels von Nervenzellen in einem neuronalen Schaltkreis kann durch die Erstellung von 3D-Rekonstruktionen der Neuronen und Kartieren ihrer synaptischen Verbindungen erreicht werden. Es ist das Ziel dieses Projektes, die neuronale Vernetzung in einem biologischen Bewegungssensor, der im visuelle Information verarbeitenden Teil des Gehirns unterhalb des Facettenauges einer speziellen Heuschreckenart vorhanden ist, zu analysieren und zu rekonstruieren. Die Besonderheit dieses Sensors ist die Vermeidung von Kollision mit Objekten, die sich dem Tier nähern. Gemäß aktuellem Wissensstand ist eine Nervenzelle, der sogenannte Lobula Giant Movement Detector 1 (LGMD1), im visuellen System maßgeblich an diesem Schaltkreis beteiligt: Das LGMD1 kann anhand optischer Information Objekte, die auf das Auge des Insekts zusteuern, von anderen Objekten unterscheiden und ein Ausweichmanöver des Tiers hervorrufen. Weiters sind mehrere tausend sogenannte afferente Nervenzellen an diesem Schaltkreis beteiligt, die dem LGMD1 Informationen über Lichtänderungen übermitteln. Aufgrund ihrer sehr dünnen Nervenzellfortsätze sind sie bis jetzt jedoch noch kaum erforscht worden. Es wird angenommen, dass jede afferente Nervenzelle mit einer bestimmten Facette des Facettenauges verknüpft ist und die afferenten Zellen sich untereinander hemmen können. Daraus resultiert eine verstärkte Reaktionsfähigkeit des LGMDs auf drohende Kollisionen. Eine neuartige rasterelektronenmikroskopische Methode ermöglicht es nun, Nervenzellen und ihre Synapsen entlang ihres ganzen Verlaufes darzustellen. In diesem Projekt sollen afferente Nervenzellen und weitere Nervenzellen, von denen die afferenten Zellen Signale erhalten, vollständig rekonstruiert werden. Damit sollen wesentlich neue Erkenntnisse über die Verschaltung des Kollisionssensors der Heuschrecke gewonnen werden, um in weiterer Folge aufklären zu können, in welcher Weise die am Sensor beteiligten Nervenzellen zusammenspielen. 1

Wie Nervenzellen in einem Schaltkreis zusammenarbeiten, lässt sich heute mithilfe moderner 3D-Rekonstruktionen und der Kartierung ihrer synaptischen Verbindungen untersuchen. In unserem Labor nutzen wir dafür eine neuartige Methode der Rasterelektronenmikroskopie. Dabei werden ultradünne Schnittserien automatisiert erzeugt, fotografiert und anschließend mit spezieller Software ausgewertet - Schnitt für Schnitt, Zelle für Zelle. In diesem Projekt haben wir die neuronale Verschaltung in einem natürlichen Bewegungssensor untersucht, der sich unterhalb des Facettenauges einer speziellen Heuschreckenart befindet. Dieser Sensor hilft dem Tier dabei, herannahende Objekte zu erkennen und Kollisionen zu vermeiden - ein überlebenswichtiger Reflex. Im Zentrum dieses neuronalen Netzwerks steht eine bestimmte Nervenzelle: der sogenannte Lobula Giant Movement Detector 1 (LGMD1). Diese Zelle kann visuelle Reize analysieren und entscheidet, ob ein Objekt auf das Tier zufliegt. Ist das der Fall, wird ein Ausweichmanöver ausgelöst. Der LGMD1 wird von mehreren tausend sogenannten afferenten Nervenzellen mit Informationen über Lichtveränderungen versorgt. Diese Zellen sind extrem dünn und daher bislang kaum erforscht. Man geht davon aus, dass jede dieser Nervenzellen mit einer einzelnen Facette des Facettenauges verknüpft ist und dass sie sich untereinander hemmen können - ein Mechanismus, der vermutlich die Reaktionsfähigkeit des LGMD1 auf bedrohliche Reize verstärkt. Im Rahmen unserer Arbeit haben wir einzelne afferente Zellen vollständig kartiert und zusätzlich die Verzweigungen von 90 dieser Nervenzellen entlang des LGMD1 analysiert. Auf dieser Datengrundlage entsteht nun ein computergestütztes Modell dieses außergewöhnlichen neuronalen Schaltkreises. Langfristig könnten solche biologisch inspirierten Modelle zur Entwicklung effizienterer technischer Kollisionssensoren beitragen - zum Beispiel in der Robotik oder im Straßen- oder Flugverkehr.