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Ameisen liefern neue Erkenntnisse für die Gehirnforschung

07.05.2014

Welche Bedeutung hat die absolute oder relative Größe des Gehirns oder bestimmter Gehirnzentren für das Verhalten? Forscher am Biozentrum der Universität Würzburg gingen dieser Fragestellung bei Blattschneiderameisen nach und kamen zu überraschenden Ergebnissen.

Professor Wolfgang Rössler und seine Kollegen berichten in dem Wissenschaftsmagazin "Proceedings of the Royal Society B", dass die bisher übliche Betrachtung der Volumen für den Vergleich der Leistungsfunktionen von Gehirnen nur sehr begrenzt Auskunft geben kann.


Das Gehirn einer Blattschneiderameise. . Mittels Immunfluoreszenz wurden verschiedene Synapsenproteine im Gehirn sichtbar gemacht.

Abbildung aus Groh et al. (2014) Proc Roy Soc B


Das Gehirn einer Blattschneiderameise. Li ist das Gehirn einer großen Arbeiterin zu sehen. Der Gesamtdurchmesser beträgt weniger als 1mm.

Abbildung aus Groh et al. (2014) Proc Roy Soc B

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass reine Volumenmessungen – absolut wie relativ – für den Vergleich der Leistungsfähigkeit von Gehirnen nur eine sehr begrenzte Aussagekraft besitzen. Das trifft sowohl für den Vergleich innerhalb einer Art, zwischen zwei Arten, oder selbst zwischen verschiedenen Gehirnteilen zu", sagt der Leiter des Lehrstuhls für Verhaltensphysiologie und Soziobiologie an der Universität Würzburg.

Der Grund dafür ist relativ simpel: "Die Synapsendichten können jeweils gleich oder eben sehr unterschiedlich sein", erklärt Rössler. Mit dem Unterschied der Gehirngrößen bei sehr großen gegenüber sehr kleinen Vertretern einer Art und bei verschiedenen Arten beschäftigt sich eine eigene Fachdisziplin innerhalb der Verhaltensneurowissenschaften: die Gehirnallometrie.

Hier widmen sich die Wissenschaftler unter anderem der Frage, inwieweit die Größenzunahme bestimmter Hirnregionen in Relation zum Gesamtgehirn automatisch an die Zunahme von Lernfähigkeit oder Intelligenz gekoppelt ist – beim Menschen beispielsweise der Hippocampus oder der Frontallappen in Relation zum Gesamthirn.

Größenabhängige Arbeitsteilung bei Ameisen dient als Modell

Wie die meisten sozialen Insekten, besitzen Blattschneiderameisen die Fähigkeit zur Arbeitsteilung. Verschiedene Individuen einer Kolonie gehen unterschiedlichen Tätigkeiten nach. Bei Nestern mit mehreren Millionen Individuen ist dies für eine effiziente Logistik und damit den Fortbestand der eigenen Art unerlässlich. Bei den Blattschneiderameisen ist besonders interessant, dass die Mitglieder der einzelnen "Teams" je nach Aufgabenbereich extreme Unterschiede in der Körpergröße aufweisen.

Winzige "Mini-Arbeiterinnen" züchten als Pilzgärtnerinnen im unterirdischen Nest einen Pilz, der dem Nachwuchs als Nahrung dient. Andere Arbeiterinnen haben ein bis zu 200-fach größeres Körpergewicht. Sie verlassen bei langen Exkursionen das Nest und schaffen die Blätter herbei, die schließlich dem Pilz als Substrat dienen. Beide Tätigkeiten sind komplex und erfordern hochentwickelte Lern- und Gedächtnisleistungen.

Hierfür sind im Insektengehirn insbesondere die sogenannten Pilzkörper verantwortlich. Die duftverarbeitenden Anteile des Pilzkörpers sind für die Blattschneiderameisen dabei besonders wichtig. "Wie schaffen es Mini-Arbeiterinnen in ihren wesentlich kleineren Köpfen Gehirne unterzubringen, die ähnlich komplexe Leistungen schaffen?", formuliert Claudia Groh vom Lehrstuhl für Verhaltensphysiologie und Soziobiologie an der Uni Würzburg.

Synapsendichte als Limit für die Gehirnminiaturisierung

Blattschneiderameisen liefern damit ideale Modellsysteme für Kernfragen der Gehirnallometrie. Mit Hilfe molekularer Marker und hochauflösender konfokaler Laserscanning-Mikroskopie konnten die Forscher die winzigen Gehirne im Detail analysieren. Sie gingen dabei bis auf die Ebene der Synapsen, den Schaltstellen zwischen einzelnen Nervenzellen. Die Zahl der Synapsen gibt Auskunft über die Leistungskapazität eines Gehirnareals.

Die Ergebnisse zeigen, dass das absolute Volumen der Pilzkörper von Mini-Arbeiterinnen zwar etwa drei- bis vierfach kleiner ist als bei großen Arbeiterinnen, die Größe der Pilzkörper in Relation zum Gesamtgehirn aber bei Mini-Arbeiterinnen mehr als dreifach größer ist als bei den "großen Schwestern". Daraus würde man auf der Basis rein volumetrischer Messungen schließen, dass die Mini-Arbeiterinnen deutlich mehr Gehirnmasse in die Pilzkörper investieren, um damit ihre Kleinheit zu kompensieren. Das dem nicht so ist, zeigten die Dichtemessungen der Synapsen im Pilzkörper.

Erkenntnisse für die Gehirnforschung

Die Analysen zeigten, dass die Synapsendichte innerhalb der Art erstaunlich konstant und damit unabhängig von der Körpergröße ist. "Daraus folgt, dass Mini-Arbeiterinnen trotz ihrer in Relation zum Gesamtgehirn größeren Pilzkörper nur ein Drittel der Synapsenzahlen im Vergleich zu großen Arbeiterinnen besitzen", sagt Wolfgang Rössler. Die Gehirnminiaturisierung der Mini-Arbeiterinnen ist damit durch die artspezifische Synapsendichte in den Pilzkörpern limitiert.

"Da sich die Mini-Arbeiterinnen fast ausschließlich im Nest aufhalten, ist deren auf Gerüchen basierende Sinneswelt reduzierter als bei den Futter-Sammlerinnen. Der Nachteil einer geringeren Synapsenzahl in den duftverarbeitenden Zentren fällt daher wahrscheinlich nicht mehr so sehr ins Gewicht", sagt Rössler und ergänzt: "Unsere Arbeit setzt ein deutliches Signal über die Ameisenwelt hinaus. Die Ergebnisse zeigen, dass reine Volumenmessungen- und Vergleiche für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Gehirnen nur sehr begrenzt Auskunft geben können."

"Density of mushroom body synaptic complexes limits intraspecies brain miniaturization in highly polymorphic leaf-cutting ant workers" Claudia Groh, Christina Kelber, Kornelia Grübel & Wolfgang Rössler. Proceedings of the Royal Society B. 20140432.May 7; http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2014.0432

Kontakt

Professor Wolfgang Rössler, E-Mail: roessler@biozentrum.uni-wuerzburg.de
Lehrstuhl Verhaltensphysiologie und Soziobiologie, Biozentrum der Universität Würzburg.

Weitere Informationen:

http://www.uni-wuerzburg.de Universität Würzburg

Marco Bosch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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