Lichtempfindliche Lamina-Neurone helfen dem Auge von Fruchtfliegen bei rasch einsetzender Dunkelheit

Das Sehen beruht ganz wesentlich auf der Wahrnehmung von Kontrasten. Wenn sich die Lichtverhältnisse ändern, braucht das Auge dann eine gewisse Zeit, um sich anzupassen und die Kontraste wieder zu erkennen. Diese Abläufe sind relativ gut erforscht.

Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster eine Funktion entdeckt, die das Verständnis von der visuellen Wahrnehmung erweitert. Die Ergebnisse erklären, weshalb das Auge auch bei plötzlich veränderten Lichtverhältnissen Kontraste korrekt einschätzen kann.

„Dazu verfügen Fruchtfliegen in ihrem visuellen System über Nervenzellen, die auf Lichtintensität reagieren. Diese Nervenzellen sind notwendig, damit die Fliegen ihr Verhalten anpassen können, wenn sich Lichtreize dynamisch ändern“, erklärt Prof. Dr. Marion Silies, Leiterin der Studie an der JGU.

Die sensorischen Systeme von Lebewesen haben sich so entwickelt, dass sie eher Veränderungen zur Kenntnis nehmen als absolute Faktoren. „Zum Beispiel wird eine Halskette im Lauf des Tages gar nicht mehr wahrgenommen, aber wir spüren es sofort, wenn sich ein Insekt auf unserer Haut niederlässt“, erläutert Silies.

Auch die Sehsysteme sind flexibel und dafür ausgelegt, auf Veränderungen in der Umgebung zu reagieren. Viele Nervenzellen sprechen dabei auf Kontraste an und weniger auf die Lichtintensität selbst. Daher gibt es viele Tiere, deren Sehsysteme in der Abend- oder Morgendämmerung, bei Tageslicht oder bei sich schnell verändernder Umgebung gut funktionieren.

Eine Schlüsselrolle spielt bei Wirbeltieren wie auch bei Wirbellosen die Leistung der Photorezeptoren in der Netzhaut. Sie stellen sicher, dass der Kontrast unabhängig von der Hintergrundbeleuchtung ermittelt wird.

Diese retinale Adaption reicht allerdings nicht aus, um plötzliche Veränderungen zu erklären, wie sie beispielsweise bei einer schnellen Eigenbewegung stattfinden oder wenn der Blick einem Objekt vom hellen Sonnenlicht in den Schatten folgt. Dann ändert sich die Hintergrundhelligkeit in Millisekunden.

Kontrastsensitive Lamina-Neurone alleine unzureichend – Lichtintensität als korrigierendes Signal

Die Neurobiologinnen und Neurobiologen um Marion Silies haben sich bei ihren Studien mit Drosophila auf die Abläufe konzentriert, die direkt im Anschluss an die Photorezeptoren im Nervensystem stattfinden. Sie schauten sich insbesondere die Wege über die Lamina-Neurone an, die darauf spezialisiert sind, eine Verstärkung oder eine Verringerung von Kontrasten festzustellen.

„Wir haben hier im visuellen System von Drosophila einen Zelltyp charakterisiert, der sensitiv für Lichtintensität ist . Kontrastsensitive neuronale Antworten alleine genügen nicht, um bei sich verändernden visuellen Stimuli eine Verhaltensantwort auszulösen“, schreiben die Autoren in einem Beitrag für das Fachjournal Current Biology. Erstautorin Madhura Ketkar erklärt dazu.

„Wir zeigen, dass Lichtintensität ein korrigierendes Signal ist, das eingreift, wenn es plötzlich dunkel wird. Das heißt also, die Information über die Lichtintensität ist notwendig, um dann den Kontrast richtig zu erkennen.“ Bisher ging die Fachwelt davon aus, dass der relative Kontrast, wie er über andere Lamina-Neurone vermittelt wird, ausreicht, um bei schnellen Veränderungen der Lichtverhältnisse noch präzise zu sehen, beispielsweise wenn ein Fußball vom Licht in den Schatten fliegt.

Lamina-Neurone L3 sind helligkeitssensitiv und besonders aktiv bei schwachem Licht

Der Nachweis gelang den Neurobiologen durch Messung der Kalzium-Signale in den Nervenzellen mithilfe der Zwei-Photonen-Mikroskopie. Damit lässt sich die Aktivität von einzelnen Nervenzellen in lebenden Fruchtfliegen ermitteln. „Bei unseren Messungen konnten wir feststellen, dass es Zellen gibt, die auf Lichtintensität und nicht auf Kontrast reagieren, “ so Silies.

Diese Ergebnisse wurden dann durch Verhaltensexperimente untermauert, bei denen Fliegen auf einem kleinen luftgepolsterten Ball vor einem sich dynamisch verändernden Hintergrund laufen. „Wir konnten auch eindeutig zeigen, dass diese luminanzsensitiven Zellen notwendig sind, damit die Fliege reagieren kann, wenn der Hintergrund schnell dunkel wird“, führt Marion Silies aus. Fehlen diese Lamina-Neurone L3, bleibt die angemessene Verhaltensantwort aus.

Die Arbeit zeigt damit einen neuen Mechanismus auf, der eine korrekte Bildverarbeitung bei sich dynamisch verändernden Lichtverhältnissen beschreibt. Kontrastsensitivität alleine genügt nicht, um die Verhaltensreaktionen auf visuelle Stimuli zu erklären.

Lichtintensität, das primäre Eingangssignal für das visuelle System, ist unbedingt zusätzlich notwendig, um Bewegungen korrekt zu steuern, so das Fazit der Forscherinnen und Forscher. Sie nehmen an, dass es sich hierbei um eine generelle Strategie der visuellen Verarbeitung handelt, die das menschliche Auge wahrscheinlich ebenfalls verwendet.

Marion Silies ist seit 2019 Professorin für Neuroentwicklungsbiologie am Fachbereich Biologie und Fellow des Gutenberg Forschungskollegs der JGU.

Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/10_idn_visuelle_wahrnehmung_l3_neuron_01.jp…
Eine Fruchtfliege läuft im Verhaltensexperiment auf einem luftgepolsterten Ball.
Foto/©: Madhura Ketkar, AG Silies

https://download.uni-mainz.de/presse/10_idn_visuelle_wahrnehmung_l3_neuron_02.jp…
Lichtintensitätssensitive L3-Zellen (grün) im Gehirn der Fliege
Foto/©: Marion Silies

https://download.uni-mainz.de/presse/10_idn_visuelle_wahrnehmung_l3_neuron_03.jp…
Visuelle Systeme müssen bei sich dynamisch verändernden Bedingungen funktionieren, wie zum Beispiel hier das Sehsystem der Fliege zur Erkennung eines Fressfeindes im Schatten.
Abb./©: Katja Sporar, AG Silies

Weiterführende Links:
https://www.gfk.uni-mainz.de/prof-dr-marion-silies/ – GFK-Fellow Prof. Dr. Marion Silies

Lesen Sie mehr:
https://www.magazin.uni-mainz.de/10771_DEU_HTML.php – Beitrag über Marion Silies im JGU-Magazin

Prof. Dr. Marion Silies
Institut für Entwicklungsbiologie und Neurobiologie (IDN)
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-28966
Fax +49 6131 39-28604
E-Mail: msilies@uni-mainz.de
https://idn.biologie.uni-mainz.de/prof-dr-marion-silies/

Madhura D. Ketkar et al.
Luminance Information Is Required for the Accurate Estimation of Contrast in Rapidly Changing Visual Contexts
Current Biology, 30. Januar 2020
DOI: 10.1016/j.cub.2019.12.038
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(19)31671-9