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Fliegenhirn: DFG-Forschungsgruppe untersucht Schaltkreise und Erinnerung bei der Fruchtfliege

Teilprojekt an der Uni Köln möchte Erinnerungen als zeitliche Netzwerke darstellen und das Verhalten von Robotern steuern lernen.

Die neuronalen Prozesse des Erinnerns und ihr Aufbau stehen im Fokus der Forschungsgruppe „Entschlüsselung eines Gehirn-Schaltkreises: Struktur, Plastizität und Verhaltensfunktion des Pilzkörpers von Drosophila“ (FOR 2705), die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingerichtet worden ist.

Mit einem Teilprojekt ist auch Professor Dr. Martin Paul Nawrot vom Institut für Zoologie der Universität zu Köln beteiligt. Er erforscht am Modellorganismus der Taufliege Drosophila melanogaster das flexible Netzwerk aus zeitgleichen und zeitlich verteilten Erinnerungen. „Ziel meines Teilprojekts ist es den hochkomplexen Vorgang der Erinnerung als ein biologisch realistisches und zugleich funktionales Netzwerk modellieren zu können“, erklärt Nawrot. Mithilfe des Modells sollen sich einzelne Gedächtnisspuren im Fliegenhirn präzise lokalisieren lassen.

Wie sich Erinnerungsstränge im Bauplan des Hirnes in alle Richtungen entfalten und netzwerkartig entwickeln, hängt mit den individuellen Erfahrungen zusammen. Die „Architektur“ der Stränge beeinflusst das Verhalten maßgeblich. Nawrot hat solche Lern-Verhaltens-Zusammenhänge in einem weiteren Projekt bereits am Beispiel der Honigbiene erforscht. „Die Biene ist der Tat der am besten etablierte Modellorganismus für das Lernen, vor allem in Verhaltensstudien. Bienen können extrem gut lernen, sodass sie auch komplexe Lernaufgaben erfüllen, wie wir es sonst nur von Wirbeltieren kennen“, sagt Nawrot.

Die Gedächtnisleistungen der Fliege sind nicht mit denen der Honigbiene vergleichbar, auch, weil ein Fliegenhirn zehn Mal kleiner als das einer Honigbiene ist. Aber die Drosophila habe im Gegensatz zur Biene den sehr großen Vorteil, dass an ihr bereits verschiedene biologische Instrumente entwickelt wurden und man dank dieser Instrumente schon jetzt sehr viel mehr über Anatomie und Funktion ihres Hirns weiß. Das Kölner Teilprojekt von Nawrot bezieht eine Vielzahl an bereits vorliegenden anatomischen und funktionellen Daten zur Drosophila in die Modellierung des Erinnerungsnetzes mit ein. Diese Daten stammen aus der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Kei Ito, der 2016 von der Universität Tokio an die Uni Köln gewechselt ist und als assoziiertes Mitglied der Forschungsgruppe seine Expertise, Methoden und seine genetisch veränderten sogenannten Fliegenlinien zur Verfügung stellt.

„Ob Biene oder Fliege, trotz ihres relativ kleinen Gehirns zeigen Insekten ein komplexes und anpassungsfähiges Verhalten. Gerade die begrenzten neuronalen Ressourcen erfordern es, im Hirn eintreffende Reize mit besonders wenig Aufwand zu entschlüsseln und sie in Aktionen zu überführen. Von diesen netzartigen Schaltkreisen können wir einiges lernen, um grundlegende Eigenschaften der Funktionsweise des Nervensystems herauszufinden“, sagt Nawrot.

In Nawrots Projekt soll beispielsweise das Verhalten eines autonomen Roboters mit circa 4.000 künstlichen „Nervenzellen“ in Echtzeit gesteuert werden. Der Zoologe erklärt: „Unser Roboter kann durch eine Kamera sehen und nimmt visuelle Reize wie Licht oder Farbe entgegen. Er lernt, dass der Blick auf bestimmte Farben eine bestimmte Aktion erforderlich macht. Je häufiger er die Aktion korrekt durchführt, desto stabiler wird der Belohnungspfad in seinen Verbindungen zwischen den Nervenzellen.“ Zu ähnlichen Ergebnissen war Nawrot bereits in seiner Honigbienen-Studie gekommen: Je häufiger ein Reiz belohnt wurde, desto stabiler wurde der Verbindungspfad von Nerven, der sich förmlich „ins Gedächtnis brannte“. Diese Plastizitätsregel, wie Nawrot sie nennt, inspirierte die Forschungsgruppe nun dazu, ein neuronales Spiking-Netzwerk – also ein biologisch realistisches Netzwerk mit Neuronen, die Verhalten anstoßen – auf einem analogen Mikrochip für die Roboter zu implementieren.

Die FOR 2705 ist unter Sprecherschaft der Georg-August-Universität Göttingen (Professor Dr. André Fiala) und hat sechs Teilprojekte in Köln, Bonn, Göttingen, München, Magdeburg und Berlin. Sie wird für zunächst drei Jahre gefördert. Die Forschungsgruppe plant, jährlich eine große Fachkonferenz zu veranstalten. Die erste findet im Mai 2019 statt.

Inhaltlicher Kontakt:     
Prof. Dr. Martin Paul Nawrot
Institut für Zoologie der Universität zu Köln
+49 221 470-7307
mnawrot(at)uni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Frieda Berg
+49 221 470-1704
f.berg(at)uni-koeln.de