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Taufliege: Gedächtnis-Zellen für Bilder entdeckt

03.02.2006


Das Gehirn der Taufliege Drosophila birgt ein Geheimnis weniger. Forscher vom Biozentrum der Uni Würzburg haben herausgefunden, an welchen Orten das Insekt die Erinnerung an optische Eindrücke speichert. Darüber berichtet die neue Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature".


Im Gehirn der Fruchtfliege: Die kleiderbügelförmige, gelb markierte Zellgruppe im oberen Bild entspricht dem Gedächtnis für die unterschiedliche Höhe von Mustern. Für die Erinnerung an die Neigung von Kanten ist dagegen eine andere Gruppe von Nervenzellen zuständig. Sie erscheint ziemlich in der Mitte des unteren Bildes als kleinere, ebenfalls gelbe und kleiderbügelartige Struktur. Aufnahmen: A. Jenett/M. Heisenberg



Die Taufliege legt das Bild von ihrer Umwelt nicht wie einen fotografischen Schnappschuss im Gehirn ab - das würde zuviel Speicherplatz kosten. Stattdessen merkt sie sich nur bestimmte Merkmale von Mustern, zum Beispiel die Neigung von Kanten oder deren Lage zueinander.

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Diese optischen Erinnerungen werden im Gehirn der Fliege in verschiedenen Zellgruppen gespeichert, wie die Forscher vom Würzburger Lehrstuhl für Genetik mit Kollegen aus China, Japan und den USA bewiesen haben. Die Wissenschaftler fanden zwei fest umrissene Schichten von Nervenfasern, in denen jeweils eines der Merkmale abgelegt wird. "Wie beim Menschen ist auch bei der Fliege das Gedächtnis nicht diffus über das Gehirn verteilt. Wir haben zwei einzelne Gruppen aus etwa 20 Nervenzellen gefunden, die eine hoch spezialisierte Erinnerungsarbeit leisten", erklärt Professor Martin Heisenberg.

Die beiden neu entdeckten "Gedächtnis-Orte" befinden sich in einem fächerförmigen Areal im Zentralkomplex des Fliegengehirns. Einer speichert die unterschiedliche Höhe von Mustern, also ob diese im Sehfeld der Fliege eher oben oder eher unten liegen. Der andere ist für die Neigung von Kanten zuständig. Damit wurden bei Insekten erstmals überhaupt Nervenzellen lokalisiert, die für das visuelle Gedächtnis zuständig sind. Dem Zentralkomplex wurde bislang die Hauptfunktion zugeschrieben, zwischen den Gehirnhälften zu vermitteln. Doch nun steht fest, dass er auch für bestimmte Seh- und Lernleistungen der Fliege eine Rolle spielt.

Zu diesen Erkenntnissen kamen die Forscher mit Fliegenmutanten, deren Gehirn zu keinerlei Lernleistung mehr fähig ist. Eine aufwändige Technik ermöglicht es aber, ganz bestimmte Hirnregionen genetisch zu "reparieren" und damit die Fliege wieder lernfähig zu machen. Auf diese Weise konnten die Forscher zuordnen, welches Gehirnareal für die Erinnerung an welches Muster zuständig ist.

Für ihre Studien haben die Würzburger Genetiker einen ausgeklügelten Flugsimulator entwickelt, in dem sich eine künstliche Umwelt aus verschiedenen Mustern und Farben erschaffen lässt. Die Fliege ist darin mit einem Drahtbügel fixiert und an einem Messgerät befestigt. Dieses erfasst ihre Flugkräfte und damit ihre Absicht, sich zu bewegen, und speist die Daten in einen Computer ein. In Echtzeit wird dann berechnet, wie sich die Fliege beim gleichen Manöver im Freiflug gedreht hätte, und die künstliche Umwelt wird entsprechend um die Fliege herum verschoben.

Dadurch bekommt das Insekt den visuellen Eindruck, tatsächlich zu fliegen. Seine Flugbahn hin zu bestimmten Mustern, die ihm präsentiert werden, kann es selbst bestimmen. Im Experiment wird die Fliege zunächst durch eine Bestrafung per Hitzestrahl darauf trainiert, das Ansteuern bestimmter Muster zu vermeiden. Während des folgenden Tests bleibt die Hitze abgeschaltet und es wird gemessen, ob die Fliege weiterhin die "verbotenen" Flugrichtungen meidet. Auf diese Weise lässt sich erkennen, welche Muster sich die Fliege merken kann.

Gang Liu, Holger Seiler, Ai Wen, Troy Zars, Kei Ito, Reinhard Wolf, Martin Heisenberg und Li Liu: "Distinct memory traces for two visual features in the Drosophila brain", Nature 439, Seiten 551-556, 2. Februar 2006, doi:10.1038/nature04381

Weitere Informationen: Prof. Dr. Martin Heisenberg, T (0931) 888-4451, Fax (0931) 888-4452, E-Mail: heisenberg@biozentrum.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

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