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Neuronale Vernetzung im Kolissionssensor einer Heuschrecke

Connectivity of a Locust’s Collision Detection Circuit

Gerd Leitinger (ORCID: 0000-0002-5281-9830)
  • Grant-DOI 10.55776/P32058
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.06.2019
  • Projektende 30.11.2024
  • Bewilligungssumme 382.200 €
  • E-Mail

Wissenschaftsdisziplinen

Biologie (70%); Informatik (30%)

Keywords

    Collision Sensor, 3D-resonstruction, Neuron, ATUMTome SEM, Locust

Abstract Endbericht

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.

Forschungsstätte(n)
  • Medizinische Universität Graz - 100%
Internationale Projektbeteiligte
  • F. Claire Rind, University of Newcastle upon Tyne - Großbritannien

Research Output

  • 30 Zitationen
  • 6 Publikationen
  • 1 Policies
  • 1 Methoden & Materialien
  • 1 Datasets & Models
  • 1 Disseminationen
  • 2 Wissenschaftliche Auszeichnungen
Publikationen
  • 2022
    Titel Understanding Iron Dynamics in Aging and Alzheimer's Disease: Insights from Post- Mortem Analysis and Brain Slice Cultures
    Typ PhD Thesis
    Autor Sowmya Sunkara
  • 2021
    Titel Digging Deeper: Advancements in Visualization of Inhibitory Synapses in Neurodegenerative Disorders
    DOI 10.3390/ijms222212470
    Typ Journal Article
    Autor Radulovic S
    Journal International Journal of Molecular Sciences
    Seiten 12470
    Link Publikation
  • 2021
    Titel The complex synaptic pathways onto a looming-detector neuron revealed using serial block-face scanning electron microscopy
    DOI 10.1002/cne.25227
    Typ Journal Article
    Autor Wernitznig S
    Journal Journal of Comparative Neurology
    Seiten 518-536
    Link Publikation
  • 2019
    Titel An Unbiased Approach of Sampling TEM Sections in Neuroscience.
    DOI 10.3791/58745
    Typ Journal Article
    Autor Wernitznig S
    Journal Journal of visualized experiments : JoVE
    Link Publikation
  • 2019
    Titel An Unbiased Approach of Sampling TEM Sections in Neuroscience
    DOI 10.3791/58745-v
    Typ Journal Article
    Autor Wernitznig S
    Journal Journal of Visualized Experiments
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Three-dimensional SEM, TEM, and STEM for analysis of large-scale biological systems
    DOI 10.1007/s00418-022-02117-w
    Typ Journal Article
    Autor Radulovic S
    Journal Histochemistry and Cell Biology
    Seiten 203-211
    Link Publikation
Policies
  • 2021
    Titel Our research has helped establish guidelines for autophagy assays
    DOI 10.1080/15548627.2020.1797280
    Typ Membership of a guideline committee
Methoden & Materialien
  • 2019
    Titel A protocol and macros that allow unbiasedly sampling sections for transmission electron microscopy in neuroscience
    Typ Biological samples
    Öffentlich zugänglich
Datasets & Models
  • 2021 Link
    Titel Data from: The complex synaptic pathways onto a looming-detector neuron revealed using serial block-face scanning electron microscopy (SBEM)
    DOI 10.5061/dryad.3j9kd51hc
    Typ Database/Collection of data
    Öffentlich zugänglich
    Link Link
Disseminationen
  • 0 Link
    Titel web page describing the project
    Typ Engagement focused website, blog or social media channel
    Link Link
Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 2022
    Titel President of the Austrian Society of Electron Microscopy ASEM
    Typ Prestigious/honorary/advisory position to an external body
    Bekanntheitsgrad National (any country)
  • 2019
    Titel Vice President of the Austrian Society for Electron Microscopy
    Typ Prestigious/honorary/advisory position to an external body
    Bekanntheitsgrad National (any country)

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