Hin oder weg? Entscheidungen bahnen sich ihren Weg durchs Fischgehirn

Darüber müssen wir gar nicht nachdenken: Nähert sich ein Objekt auf Kollisionskurs, weichen wir aus. Erweckt etwas jedoch unser Interesse, bewegen wir uns zielsicher darauf zu. Wie das Gehirn einen visuellen Eindruck als attraktiv oder abschreckend eingruppiert und dann in ein Verhalten umwandelt, ist kaum verstanden.

Das ändert sich jedoch gerade. Mit Hilfe neuer optischer und genetischer Methoden können Wissenschaftler den knapp fünf Millimeter großen und nahezu durchsichtigen Zebrafischlarven nun tief ins Gehirn schauen:

Die Aktivität und Aktivierungsreihenfolge einzelner Nervenzellen wird live unter dem Mikroskop sichtbar. Auf diese Weise konnten Neurobiologen nun erstmals im Fischgehirn zeigen, dass nach der Einschätzung „Feind“ oder „Beute“ ganz unterschiedliche Nervenbahnen aktiviert werden.

Bisherige Untersuchungen deuteten auf das Tectum des Fischgehirns als Ort des Geschehens. Auch der Mensch besitzt solch ein Tectum, den Colliculus superior, der vermutlich sehr ähnliche Funktionen hat.

Um die Vorgänge im Fisch-Tectum auf zellulärer Ebene zu verstehen, untersuchte Thomas Helmbrecht vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie die Reaktion der Fischchen auf virtuelle Punkte – während er die Aktivität ihrer Nervenzellen beobachtete und mit optogenetischen Methoden manipulierte.

Je nach Größe und animierter Bewegung wurden die Punkte im Tectum der Zebrafische zunächst als Beute oder Feind klassifiziert. Im Anschluss schickte das Tectum die jeweilige Entscheidung über eine von zwei unterschiedlichen und räumlich voneinander getrennten Nervenzellketten in das Hinterhirn weiter.

Abhängig davon, an welche der beiden Bahnen die Information weitergegeben wurde, leiteten die Neuronen am Ende der Signalkette eine Ausweich- oder Annäherungsbewegung ein. Zudem konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Nervenzellen über die Bahn, die das Jagdverhalten auslöst, auch die genauen Positionsangaben der potentiellen Beute mitschickten. Auf diese Weise können die Muskeln von den Neuronen offenbar so angesteuert werden, dass das Fischchen zielgerichtet auf seine Beute zuschwimmen kann.

Mindestens 29 verschiedene Nervenzelltypen sind an diesem fundamentalen Orientierungsverhalten beteiligt.

„Wie diese einzelnen Zelltypen im Tectum zum Verhalten beitragen, wollen wir jetzt im Detail herausfinden“, so Herwig Baier, in dessen Labor die Experimente durchgeführt wurden. „Zum ersten Mal haben wir die Chance, die Gehirnaktivität, die einer komplexen Verhaltensentscheidung zugrunde liegt, vollständig zu rekonstruieren – und zwar von den Sinneseingängen bis zum motorischen Output.“

KONTAKT
Dr. Stefanie Merker
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Tel.: 089 8578 – 3514
E-Mail: merker@neuro.mpg.de

Prof. Dr. Herwig Baier
Abteilung Gene – Schaltkreise – Verhalten
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Tel.: 089 8578 3200
Email: hbaier@neuro.mpg.de

Thomas O. Helmbrecht, Marco Dal Mashio, Joseph C. Donovan, Styliani Koutsouli & Herwig Baier
Topography of a visuomotor transformation
Neuron, 19. Dezember 2018

http://www.neuro.mpg.de – Webseite des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie
https://www.neuro.mpg.de/3419232/news_publication_11299147?c=2742 – Verwandte Forschungsnews: Licht aktiviert einzelne Nervenzellen