Wie Fruchtfliegen interne Darstellungen der Kopfrichtung nutzen, um zielgerichtete Navigation zu unterstützen

31. August 2024 Feature

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Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Das Verhalten von Tieren beruht darauf, sensorische Informationen in motorische Befehle umzuwandeln, die oft von den inneren Bedürfnissen eines Tieres beeinflusst werden. Während bei Säugetieren und anderen großen Tieren dieser Prozess durch komplexe Hirnprozesse unterstützt wird, könnten einfachere Versionen davon auch das Verhalten kleinerer Lebewesen, einschließlich Insekten, lenken.

Um ihre Handlungen zu planen, wenn sensorische Hinweise nicht verfügbar sind, haben einige Tiere sich dahingehend entwickelt, sich stattdessen auf interne Repräsentationen ihrer Beziehung zu ihrer Umgebung zu stützen. Diese Repräsentationen könnten Informationen zu ihrer Kopfrichtung oder Daten von Ortszellen umfassen, Neuronen im Hippocampus, die interne „Karten“ von Umgebungen bilden.

Forscher am Howard Hughes Medical Institute haben kürzlich untersucht, wie Fruchtfliegen gleichzeitig neue Umgebungen kartieren und diese internen Repräsentationen nutzen, um zu lernen, welche Ziele sie verfolgen sollen. Ihr Artikel, veröffentlicht in Neuron, bietet neue Erkenntnisse darüber, wie interne Repräsentationen das zielgerichtete Verhalten von Tieren lenken können.

„Das Verankern von Zielen an räumlichen Repräsentationen ermöglicht eine flexible Navigation, ist jedoch in neuen Umgebungen herausfordernd, wenn beide Repräsentationen gleichzeitig erworben werden müssen“, schrieben Chuntao Dan, Brad K. Hulse und ihre Kollegen in ihrem Artikel. „Wir schlagen einen Rahmen vor, wie Drosophila interne Repräsentationen von Kopfrichtung (HD) verwendet, um Zielrepräsentationen auf selektive thermische Verstärkung aufzubauen.“

Die Forscher führten Experimente an gewöhnlichen Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) durch. Das Verhalten der Fliegen wurde durch Hitze konditioniert, die mit verschiedenen Vorkommen sich wiederholender visueller Muster verbunden war.

Diese visuellen Muster veränderten die internen Repräsentationen der Fliegen bezüglich ihrer Kopfrichtung, was es den Forschern ermöglichte zu beobachten, wie sich die Evolution von Kopfrichtungsrepräsentationen mit den Zielen der Fliegen verhielt und letztendlich ihr Verhalten formte. Mithilfe von maschinellen Lernalgorithmen und Daten, die während früherer Studien an Fruchtfliegen gesammelt wurden, versuchten die Forscher zu ermitteln, wie diese Prozesse innerhalb einer Region des Insektengehirns, bekannt als das zentrale Komplex (CX), ablaufen könnten.

„Wir zeigen, dass Fliegen stochastisch erzeugte Fixationen und gerichtete Sakkaden nutzen, um Präferenzen in einer operanten visuellen Lernumgebung auszudrücken, und dass Kopfrichtungsneuronen benötigt werden, um diese Präferenzen basierend auf Verstärkung zu modifizieren“, schrieben Dan, Hulse und ihre Kollegen. „Wir haben eine symmetrische visuelle Einstellung verwendet, um zu zeigen, wie sich die HD- und Zielrepräsentationen der Fliegen gemeinsam entwickeln und wie die Zuverlässigkeit dieser interagierenden Repräsentationen das Verhalten beeinflusst.“

Die Ergebnisse dieser aktuellen Studie bieten neue Erkenntnisse darüber, wie Fliegen gleichzeitig ihre Umgebung kartieren und interne Ziele mit erstellten Karten verknüpfen, während sie eine neue Umgebung erstmalig erleben. Durch Analyse ihrer experimentellen Daten und zuvor gesammelter Ergebnisse mittels computerunterstützter Modelle erstellten die Forscher dann einen Rahmen, der beschreibt, wie das Gehirn von Fruchtfliegen das zielgerichtete Verhalten der Insekten in neuen Umgebungen unterstützt.

„Wir beschreiben, wie das schnelle Lernen neuer Zielrichtungen auf einer Verhaltensrichtlinie ruhen mag, deren Parameter flexibel sind, deren Form jedoch genetisch im Schaltungsdesign codiert ist“, schrieben Dan, Hulse und ihre Kollegen. „Solche evolutionär strukturierten Architekturen, die ein rasch adaptives Verhalten ermöglichen, das von internen Repräsentationen angetrieben wird, könnten für verschiedene Arten relevant sein.“

Während das Team ihre Experimente an Fruchtfliegen durchführte, könnten Schaltungsarchitekturen und Prozesse, die denen ähneln, die sie entdeckten, auch bei anderen Arten existieren. Zukünftige Studien, die genetische Techniken einsetzen, könnten weitere Erkenntnisse über die Zellen bringen, die den von den Forschern identifizierten prozess des zielgerichteten Lernens vermitteln, oder könnten dazu beitragen, analoge Prozesse in anderen Tieren zu identifizieren.

Weitere Informationen: Chuntao Dan et al, Eine neuronale Schaltungsarchitektur für schnelles Lernen in der zielgerichteten Navigation, Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.036

Journal Informationen: Neuron

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