Ein neuronales Netzwerk, das die Richtung repräsentiert, in die Zebrafische reisen.

May 30, 2023 feature

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Editoren haben dabei Folgendes hervorgehoben, um die Glaubwürdigkeit des Inhalts zu gewährleisten:

• überprüfte Fakten
• peer-reviewed Veröffentlichung
• vertrauenswürdige Quelle
• korrekturgelesen

von Ingrid Fadelli, Medical Xpress

Frühere Studien haben gezeigt, dass einige Tiere im Gehirn Repräsentationen der Richtung erzeugen, in die sie sich bewegen. Beispielsweise wird die Richtung von Insekten durch die Aktivität von Neuronen in einer Region in der Mitte ihres Gehirns, dem zentralen Komplex, repräsentiert.

Forscher der Technischen Universität München haben kürzlich eine Studie durchgeführt, die darauf abzielte, ähnliche neuronale Netzwerke zu identifizieren, die die Reiserichtung von Zebrafischen repräsentieren, indem sie auch ihre zugrunde liegenden Dynamiken aufdeckten. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Neuroscience, lokalisieren ein spezifisches Netzwerk im vorderen Hirnstamm von Zebrafischen, das die Richtung repräsentiert, in die sie sich bewegen.

"Frühere Arbeiten in meinem Labor haben eine Region aufgedeckt, die an Entscheidungsprozessen, insbesondere der Entscheidung, nach links oder rechts zu gehen, beteiligt ist", sagte Ruben Portugues, einer der Forscher, die an der Studie beteiligt waren, Medical Xpress.

"Diese Region, der Zwischenhirnnervenknoten, ist eine ringförmige Struktur, die sich in der Mitte des Wirbeltiergehirns befindet. Die Anatomie und Dynamik dieser Hirnstruktur erinnerten uns an eine tiefe ringförmige Struktur im Insektengehirn, den Ellipsoidkörper, der für die Navigation wichtig ist und gezeigt hat, dass er die Kopfrichtung des Insekts repräsentiert."

Diese Studie wurde von anderen Forschungsteams, wie dem Labor von Vivek Jayaraman am Howard Hughes Medical Institute in Virginia und dem Labor von Gaby Maimon an der Rockefeller University, inspiriert. Diese Arbeiten hatten eine Hirnregion identifiziert, die die Kopfrichtung von Insekten zu repräsentieren scheint.

In ihren Experimenten suchten Portugues und seine Kollegen somit gezielt nach Kopfrichtungsrepräsentationen in Zebrafisch-Neuronen, die zu dieser Hirnregion projizieren.

"Kopfrichtungsneuronen wurden bereits in den 90er Jahren bei Nagetieren gefunden, aber das vollständige Netzwerk wurde nie beobachtet, und wir hatten keine Vorstellung davon, wie die Repräsentation der Kopfrichtung erzeugt wird", erklärte Portugues. "Unser Hauptziel in dieser Studie war es, das Zebrafisch-Kopfrichtungsnetzwerk zu finden und einen großen Teil des Netzwerks gleichzeitig zu bilden. Dies ermöglichte es uns, das Netzwerk und wie es die Kopfrichtung des Tieres repräsentiert, zu charakterisieren."

In ihren Experimenten untersuchten Portugues und seine Kollegen Neuronen im Hirnstamm von Zebrafischen mithilfe von funktionellen Bildgebungstechniken. Konkret erfassten sie Bilder mit einem Mikroskop, das sie gebaut hatten, das sogenannte Lichtblattmikroskop, das die Aktivität mehrerer Neuronen gleichzeitig abbilden kann.

"Wir haben auch die Morphologie von Neuronen in dieser Region aus einem bereits vorhandenen Elektronenmikroskopie-Datensatz rekonstruiert", sagte Portugues. "Aus diesem Datensatz war es möglich zu erkennen, wohin diese Neuronen ihre Projektionen senden und wie sie mit anderen Neuronen im Netzwerk verbunden sind. Unsere Rekonstruktionen zeigten, dass Kopfrichtungsneuronen die Kopfrichtungsneuronen hemmen, die die entgegengesetzte Kopfrichtung repräsentieren. Das stellt sicher, dass immer nur eine bestimmte Kopfrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt repräsentiert wird."

Seit Neuroforscher die Existenz von sogenannten "Kopfrichtungsneuronen" vor mehreren Jahrzehnten entdeckt haben, wurden viele theoretische Modelle eingeführt, um zu erklären, wie diese Neuronen in einem Netzwerk verbunden sind. Die Studien an Insekten hatten eine schöne Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gezeigt, aber sehr wenig konnte über die Kopfrichtungsnetzwerke bei Wirbeltieren (d.h. Tiere, die ein Rückgrat oder eine Wirbelsäule besitzen) gesagt werden.

Portugues und seine Kollegen sind die ersten, die Ergebnisse gesammelt haben, die bestätigen, dass auch im Gehirn von Zebrafischen Kopfrichtungsneuronen existieren.

"Unsere jüngsten Arbeiten zeigen das Vorhandensein solcher Netzwerke in einem Wirbeltiergehirn", sagte Portugues. "Dank der Transparenz und der geringen Größe der Zebrafische konnten wir die Architektur des Netzwerks aufdecken, wodurch wir ein mechanistisches Verständnis dafür erlangen konnten, wie es funktioniert. Darüber hinaus zeigen wir, dass Kopfrichtungssysteme bei Insekten und Wirbeltieren sehr unterschiedliche Gehirne aufweisen, aber dennoch viele Verbindungsmuster gemeinsam haben, was darauf hindeutet, dass einige architektonische Prinzipien von neuronalen Systemen im gesamten Tierreich erhalten geblieben sind."

The recent findings gathered by this team of researchers could soon pave the way for studies looking for neural representations of heading direction in the brain of other vertebrates, such as different fish species, birds, amphibians, reptiles or even mammals. Collectively, these works could shed some interesting new light on how animals' decisions regarding where to travel are stored or represented in their brain.

'In our recent study, we discovered a network that encodes the heading direction signal,' Portugues added.

'We now plan to discover how this signal is generated, where this signal is transmitted to in the brain and how fish are using it to navigate the environment. Specifically, we would like to investigate what happens when the animal navigates towards a goal; how it is using the heading signal and what happens when this signal is impaired.'

© 2023 Science X Network