Konnektivität eines bewegungssensitiven Neurons in Mantis

Die Forschung an Insekten ist nicht nur aus Sicht der Schädlingsbekämpfung wertvoll, sie bietet auch die Möglichkeit Prinzipien von biologischen Systemen zu untersuchen die bei komplexeren Tieren oder dem Menschen nur schwer bis gar nicht zugänglich sind. Im Projekt Konnektivität eines bewegungssensitiven Neurons in Mantis soll nun das visuelle System der Gottesanbeterin genauer betrachtet werden, da im Allgemeinen das visuelle System eine gute Möglichkeit bietet die Verschaltung und den Beitrag einzelner Nervenzellen zur Verarbeitung der visuellen Information zu untersuchen. Speziell in Insekten, da hier die Nervenzellen oft leicht identifizierbar und zugänglich sind. Die Gottesanbeterin verarbeitet die Informationen beider Komplexaugen sieht also wie der Mensch räumlich. Dadurch unterscheidet sich die Gottesanbeterin von den meisten andern Insekten und es ist daher sehr interessant sich das optische System genauer anzuschauen. Im speziellen sind wir an Nervenzellen interessiert, welche daran beteiligt sind potentielle Fressfeinde rechtzeitig zu erkennen, damit das Tier eine Abwehrreaktion einleiten bzw. vor dem Fressfeind fliehen kann. So eine spezielle Nervenzelle wurde bei schwarmbildenden Heuschrecken beschrieben, welche sich im dritten visuellen Ganglion, dem Lobula Komplex befindet. Da physiologische Untersuchungen die Vermutung anstellen, dass eine ähnliche Nervenzelle in der Gottesanbeterin zu finden ist soll nun mittels einer neuen elektronen- mikroskopischen Methode danach gesucht werde. Mit der Methode des automated tape- collecting ultra-microtome scanning electron microscopy (ATUMtome SEM) können viele tausend Dünnschnitte (unter 70 nm Schnittdicke) der Probe angefertigt werden und auf einem speziellen Trägerband für die weitere Untersuchung gesichert werden. Die Schnitte können dann in einem Rasterelektronenmikroskop gescannt werden. Durch das Scannen vieler aufeinander folgender Schnitte können bestimmte Nervenzellen oder auch ganze Populationen von Nervenzellen in einem großen Volumen verfolgt und rekonstruiert werden. Dadurch kann nicht nur deren Morphologie, Ultrastruktur sondern auch die Interaktion anhand der Verbindungsstellen, Synapsen, zwischen den einzelnen Nervenzellen dokumentiert werden. Das Wissen um diese Verschaltung zwischen den Nervenzellen gibt Aufschluss darüber wie die Information von Sinnesreize verarbeitet wird. Die Bilddaten aus diesem Projekt werden öffentlich über eine online abrufbare Datenbank zugänglich gemacht. Dadurch können Forschungsgruppen aus der ganzen Welt diese Daten abrufen und für eigene Forschungszwecke verwenden. Dies ist notwendig da Daten in einem Umfang vorliegen werden welche nicht in einer vernünftigen Zeit von einer Forschungsgruppe ausgewertet werden können.

In dem Projekt "Konnektivität eines bewegungssensitiven Neurons in Mantis" wurde mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie das Gehirns von Fangschrecken (Gottesanbeterinnen) untersucht. Im Besonderen wurde dabei der Bereich des Gehirns, welcher für die Verarbeitung visueller Informationen zuständig ist angeschaut. Um eine detailreiche Darstellung der Ultrastruktur der einzelnen Nervenzellen (Neuronen), insbesondere der chemische Kontaktstellen, der Synapsen, zu erklangen, wurde das Protokoll der Probenpräparation optimiert und die Proben anschließend mittels spezieller Schnitttechnik für das Raster-Elektronenmikroskop aufbereitet. Die Proben von der Großen Chinesen-Mantis (Tenodera sinensis) wurden vom Kooperationspartner an der Kyushu-Universität (Japan) gezüchtet und fixierte Gehirne nach Graz für die elektronenmikroskopischen Untersuchungen geschickt. Es wurden Proben aus verschiedenen Entwicklungsstadien gesammelt um später die genaue Entwicklung der Verschaltung (Neuronale-Konnektivität) der visuellen Nervenzellen dokumentieren zu können. Die Untersuchung der neuronalen Konnektivität in biologischen Systemen, welche vergleichsweise einfach aufgebaut sind, helfen dabei Rückschlüsse zu ziehen, wie Informationsverarbeitung in den deutlich komplexeren aufgebauten Gehirnen, wie zum Beispiel beim Menschen funktioniert. Im Laufe der Projektlaufzeit wurden mehrere Schnittserien hergestellt, die Größte, mit über 3300 Einzelschnitten, umfasst eine Länge von etwa 200 m. Aus dieser Serie wurde ein Volumen im Rasterelektronenmikroskop von 100 x 100 x 200 m, mit einer Auflösung von 10 x 10 x 60 nm, aufgenommen. Von den Nervenzellen in diesem Volumen können 3D-Modelle von diesen und ihren feinsten Verzweigungen erstellt werden. Die Morphologie der verschiedenen Nervenzellen ist, neben physiologischen Eigenschaften, ein wichtiges Merkmal zur Klassifizierung. In diesem Volumen wurden Neuronen über eine Länge von über 13 mm dokumentiert. Entlang dieser konnten über 350 Synapsen identifiziert werden. Die Daten aus diesem Projekt werden aufgrund ihres großen Umfangs noch für viele Jahre weitere Forschungsarbeit ermöglichen. Schlussendlich ist aufgrund der gesammelten Daten ein weitere Puzzlestein für das bessere Verständnis der Informationsverarbeitung in neuronalen Systemen gelegt worden.