The development and function of neural circuits

Alle Tiere kommen mit einer Reihe von angeborenen Verhaltenweisen zur Welt. Diese bilden die Grundlage dafür, wie jede Tierart auf Reize aus ihrer Umwelt reagiert. Die meisten angeborenen Verhaltenweisen sind aber plastisch, das heißt, jedes einzelne Individuum kann sein Verhalten an seine ganz individuelle Umgebung anpassen. Konrad Lorenz leistete in Wien, zusammen mit Nikolaas Tinbergen in Oxford und Karl von Frisch in München, Pionierarbeit bei der wissenschaftlichen Erforschung von Instinktverhalten. Dafür wurden die drei Forscher im Jahr 1973 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet. Besonders Tinbergen stellte an angeborene Verhaltenweisen vier berühmt gewordene Fragen: Was passiert im Inneren des Organismus (Ursache)? Wie entwickelt sich ein Verhalten im Organismus (Ontogenie)? Wie trägt das Verhalten zum Überleben bzw. zur Fortpflanzung der jeweiligen Art bei (Funktion)? Und schließlich, warum hat sich das Verhalten bei der jeweiligen Art gebildet (Evolution)? Tinbergen, Lorenz und von Frisch haben sich mit den Fragen nach Funktion und Evolution beschäftigt. Wir bearbeiten die Fragen nach Ursache und Ontogenie des Verhaltens. Dazu verwenden wir die Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modell. Um die Ursache eines Verhaltens zu untersuchen, wählten wir das Sexualverhalten der männlichen Fliegen. Ein Männchen beginnt bereits kurz nach der Geburt mit einem komplizierten Balzritual, wenn es mit einem empfangsbereiten Weibchen in Kontakt kommt. Es singt und tanzt für das Weibchen, bevor es schließlich zur Kopulation kommt. Natürlich zeigen nur Männchen dieses Verhalten. Uns ist es kürzlich gelungen, die neuronalen Netzwerke im Gehirn des Männchens zu identifizieren, welche die Durchführung dieses Verhaltens steuern. Erstaunlicherweise existieren die gleichen Netzwerke im Gehirn von Weibchen. Welche Funktion diese Neuronen beim Weibchen haben und wodurch sie sich von der beim Männchen unterscheidet, wissen wir heute noch nicht. Das sind wichtige Schwerpunkte unserer zukünftigen Forschung. Balzverhalten wird bei der Fliegenentwicklung eindeutig genetisch programmiert, weil adulte Fliegen praktisch sofort nach dem Schlüpfen aus der Puppenhülle mit dem Balzritual beginnen können. Instinktiv spielen Männchen dabei die männliche und Weibchen die weibliche Rolle. Wir konnten kürzlich zeigen, dass dieser Unterschied hauptsächlich auf ein Gen zurückzuführen ist. Dieses Gen heisst fruitless und wird in allen beteiligten neuronalen Netzwerken gebildet. fruitless existiert in zwei Formen, einer aktiven im Männchen und einer inaktiven Form im Weibchen. Wenn ein Männchen so verändert wird, dass es nur die weibliche Form bildet, hat es an Weibchen kein Interesse mehr. Wenn dagegen ein Weibchen die männliche Form bildet, verhält es sich wie ein normales Männchen und beginnt mit anderen Weibchen zu flirten. Die Proteine, die vom fruitless Gen hergestellt werden, sind Transkriptionsfaktoren. Das heißt, fruitless kontrolliert die Expression anderer Gene und steuert dadurch das Verhalten. Wir versuchen derzeit, diese Gene zu finden und herauszuarbeiten, wie sie das für Männchen typische Paarungsverhalten ins Fliegengehirn programmieren. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von angeborenen Verhaltensweisen ist die "Verdrahtung" des Nervensystems. Damit eine Fliege ein Verhalten richtig durchführen kann, müssen mehr als 100.000 Neuronen korrekt miteinander verknüpft sein. Dabei muss jedes Neuron herausfinden, zu welcher anderen Zelle es eine Verbindung aufbauen muss. Bei unseren früheren und der aktuellen Arbeit haben wir eine Reihe von Molekülen gefunden, die die Bildung von neuronalen Netzwerken steuern können. Wir beginnen beispielsweise zu verstehen, wie die rechte und die linken Hälfte des Nervensystems verbunden sind und wie Photorezeptoren im Auge und Geruchsneuronen in der Antenne ("Fliegennase") ihre Zielneuronen im Gehirn finden und so ein Netzwerk aufbauen können.

Die jüngsten Fortschritte in der Lichtmikroskopie haben es möglich gemacht, dass Biologen heute zelluläre Vorgänge in lebenden Organismen in nie dagewesener räumlicher und zeitlicher Auflösung beobachten und manipulieren können. Besonders auf die Neurowissenschaften und die Entwicklungs- und Zellbiologie haben diese neuen Methoden geradezu revolutionäre Auswirkungen. In allen diesen Disziplinen ist das IMP stark engagiert, wobei meine eigene Gruppe sich auf die funktionelle Analyse der neuronalen Netzwerke bei der Taufliege Drosophila konzentriert. Die Verleihung des Wittgensteinpreises hat uns in die einmalige Lage versetzt, unsere Kapazitäten und unsere Expertise im Bereich der fortgeschrittenen Lichtmikroskopie mit gezielten Investitionen in Geräte und Mitarbeiter weiter auszubauen. Mit diesen Maßnahmen können wir sicherstellen, dass wir - gemeinsam mit anderen Forschern am IMP - die faszinierenden Entwicklungen auf diesem Gebiet weiterhin an vorderster Front mitgestalten können. Konkret wurden die Mittel des Wittgensteinpreises dazu verwendet, ein konfokales Multiphotonen-Mikroskop der jüngsten Generation zu erwerben, sowie einzelne Komponenten zur Spezialanfertigung verschiedener optischer Systeme in unseren Labors. Darüber hinaus konnten wir eine Spezialistin in optischer Physik, Dr. Katrin Heinze, für fünf Jahre anstellen, sowie weitere Mitarbeiter, die die nun verfügbaren Methoden im Rahmen von spezifischen Forschungsprojekten zur Anwendung brachten. Die wichtigsten technischen und biologischen Errungenschaften aus diesen Forschungsanstrengungen sind (1) die Etablierung eines optogenetischen Systems für Drosophila, (2) die Etablierung eines optischen tracking-Systems für Bewegungsstudien an Drosophila, (3) die Darstellung der neuronalen Aktivität im Zentralnervensystem von Drosophila mit Imaging-Verfahren, (4) die Darstellung von akustisch evozierter Aktivität in der Hörrinde des Maushirns, und (5) die Analyse der Licht-induzierten Dissoziation von Proteinkomplexen ("photounbinding").