Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zellen sehen doppelt

09.02.2009
Im Vergleich zu vielen anderen Lebewesen sind Fliegen eher klein und ihr Gehirn ist recht übersichtlich. Allerdings kann die geringe Anzahl der Nervenzellen im Fliegenhirn zum Teil durch raffinierte Verschaltung kompensiert werden, fanden Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie heraus.

Die Neurobiologen untersuchten spezielle Nervenzellen, die in ihrem Eingangsbereich Bewegungsreize aus einem schmalen Bereich des Sehfelds erhalten. Durch Verschaltung mit Nachbarzellen reagieren dieselben Zellen in ihrem Ausgangsbereich jedoch auf Bewegungen aus einem viel breiteren Sehbereich. Dies ermöglicht eine äußerst robuste Verarbeitung von optischen Informationen. (Nat Neurosci)


Arbeitsteilung im Flugkontrollzentrum: In ihrem Eingangsbereich (breites Zellende) erhält jede VS-Nervenzelle visuelle Informationen aus einen schmalen Streifen des Fliegenauges. Im Ausgangsbereich am hinteren Zellende, ermöglichen elektrische Querverbindungen (rot) den Austausch mit Nachbarzellen. Grafik: Max-Planck-Institut für Neurobiologie / Schorner

Kaum etwas ist komplexer als das menschliche Gehirn: Jede der rund hundert Milliarden Nervenzellen ist über viele tausend Kontaktstellen mit ihren Nachbarzellen verbunden. So entsteht ein vielschichtiges Netzwerk, in dem Informationen verarbeitet und gespeichert werden. Im Vergleich dazu erscheint das Gehirn einer Fliege eher simpel. Im Schmeißfliegen-Gehirn werden zum Beispiel Bewegungsinformationen von gerade einmal 60 Nervenzellen pro Hirnhälfte verarbeitet und die entsprechenden Befehle an die Flugsteuerung weitergegeben. Die eindrucksvolle Effizienz dieser 60 Zellen demonstriert die Fliege jedoch, wenn sie im rasanten Flug Hindernisse meidet und kopfüber an der Decke landet. Es ist daher kein Wunder, dass das Fliegenhirn Neurobiologen schon lange fasziniert.

Verteilung der Wenigen
Die vergleichsweise wenigen Nervenzellen im Flugkontrollzentrum der Fliege ermöglichen es, die Verschaltung und Funktion der beteiligten Zellen genauer zu untersuchen. Schnell hat sich dabei gezeigt, dass die 60 Nervenzellen noch einmal in einzelne Zellgruppen unterteilt sind, die jeweils für die Verarbeitung bestimmter Bewegungsmuster zuständig sind. Zum Beispiel reagieren die zehn sogenannten VS-Zellen auf Rotationsbewegungen der Fliege. Jede dieser Nervenzellen erhält ihre visuellen Informationen nur aus einem schmalen vertikalen Streifen des Fliegenauges, ihrem 'rezeptiven Feld'. Da die Zellen parallel zueinander angeordnet sind, decken diese vertikalen Streifen das gesamte Sehfeld der Fliege ab (exemplarisch zeigt die Abbildung drei der zehn VS-Zellen).
Komplexität durch Verschaltung
"Das wirklich Faszinierende an diesen VS-Zellen ist jedoch, dass das Netzwerk immer komplexer wurde, je genauer wir hinsahen", berichtet Alexander Borst, der mit seiner Abteilung am Max-Planck-Institut für Neurobiologie das Bewegungssehen der Fliegen untersucht. Erst vor kurzem zeigte sein Mitarbeiter Jürgen Haag, dass VS-Zellen gleich auf zwei Ebenen verschaltet sind: In ihrem Eingangsbereich sammeln sie eingehende Informationen von Nervenzellen, die Bewegungsinformationen vom Auge erhalten. Unerwartet war jedoch, dass die Zellen zusätzlich in ihrem Ausgangsbereich über elektrische Verbindungen mit benachbarten VS-Zellen in Kontakt stehen. Computersimulationen dieser Verschaltung ließen Folgendes vermuten: Bekommt eine VS-Zelle Informationen aus "ihrem" rezeptiven Feld, vergleicht sie diese erst noch mit den Informationen ihrer Nachbarzellen. Erst dann wird die Information an nachgeschaltete Zellen für die Flugsteuerung weitergeleitet.
Dem Rätsel auf der Spur
Die logische Schlussfolgerung dieser Annahmen war eine kleine Sensation. Konnte es tatsächlich sein, dass eine einzelne Zelle zwei unterschiedliche rezeptive Felder besitzt - je nachdem, ob ihr Eingangs- oder ihr Ausgangsbereich betrachtet wird? Dieser Frage ging der Martinsrieder Neurobiologe Yishai Elyada nun auf den Grund. Mit einer Vielzahl von Methoden untersuchte er die Reaktionen der VS-Zellen auf Bewegungsreize. Der Durchbruch gelang, als der Wissenschaftler die Änderungen der zellinternen Kalziumkonzentrationen in einem speziellen Mikroskopierverfahren im wahrsten Sinne des Wortes unter die Lupe nahm. Die Kalziumkonzentration einer Nervenzelle ändert sich immer dann, wenn die Zelle aktiv ist. Eine Kalziumveränderung gibt daher preis, wann und wo eine Nervenzelle auf einen Reiz reagiert.

Um das rezeptive Feld einzelner VS-Zellen zu bestimmen, zeigte Elyada den Fliegen bewegte Streifenmuster. Die gleichzeitige Beobachtung der zellinternen Kalziumveränderungen bestätigte alle Vermutungen: VS-Zellen reagieren in ihrem Eingangsbereich tatsächlich nur auf Bewegungen aus einem schmalen Bereich des Sehfelds. Im Ausgangsbereich der Zelle reagieren sie dagegen zusätzlich auch auf Bewegungen in den rezeptiven Feldern der Nachbarzellen. Die gängige Aussage, dass eine Nervenzelle ein bestimmtes rezeptives Feld besitzt, muss daher korrigiert werden. Zumindest bei VS-Zellen sollte bei solchen Aussagen in Zukunft zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsbereich der Zelle unterschieden werden. Diese räumliche Trennung innerhalb einer Nervenzelle war für die Forscher überraschend. Für die Fliege erweist sie sich jedoch als äußerst nützlich. Modell-Simulationen zeigten, dass ein Netzwerk sehr viel effizienter in der Bearbeitung von visuellen Bewegungsinformation ist, wenn es aus solchen "doppeltverschalteten" Zellen besteht.

Allmähliches Herantasten
"Dieses Ergebnis macht das Netzwerk der VS-Zellen zu einem der am besten verstandenen Schaltkreise des Nervensystems", fasst Alexander Borst die Arbeiten der letzen Jahre zusammen. Als nächstes wollen die Wissenschaftler nun untersuchen, ob eine Störung des VS-Netzwerks einen direkten Einfluss auf die Flugkünste der Fliege hat. "Denn wenn es darum geht, ein bestimmtes Verhalten zu beeinflussen, könnten bisher noch nicht berücksichtigte Zellen und Netzwerke an Bedeutung gewinnen", spekuliert Borst. Schritt um Schritt tasten sich die Forscher so an immer komplexere Netzwerke heran - damit wir eines Tages vielleicht auch die menschliche Sinnesverarbeitung auf der Ebene einzelner Nervenzellen verstehen.
Originalveröffentlichung:
Yishai M. Elyada, Jürgen Haag, Alexander Borst
Different receptive fields in axons and dendrites underlie robust coding in motion-sensitive neurons

Nature Neuroscience, 8. Februar 2009

Kontakt:
Dr. Stefanie Merker
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Tel.: +49 89 8578-3514
Fax: +49 89 8995-0022
Email: merker@neuro.mpg.de

Dr. Stefanie Merker | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.neuro.mpg.de
http://www.neuro.mpg.de/english/rd/scn

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Die Kieler Förde – ein Trainingsbecken für Miesmuscheln
28.04.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Leipziger Forscher kreieren borhaltiges künstliches Vitamin
28.04.2017 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Die Kieler Förde – ein Trainingsbecken für Miesmuscheln

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mikroskop im Kugelschreiberformat: Auf dem Weg zur endoskopischen Krebsdiagnose

28.04.2017 | Medizintechnik

Leipziger Forscher kreieren borhaltiges künstliches Vitamin

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie