Neuronale Grundlage des Polarisationskompasses im Zentralkomplex des Heuschreckengehirns
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Zentralkomplex im Heuschreckengehirn zeigt eine topographische Repräsentation von Himmelsrichtungen und stellt damit einen internen Navigationskompass dar. Die im Rahmen des Projekts durchgeführten Arbeiten tragen wesentlich dazu bei, die sensorische Grundlage dieses Kompasses besser zu verstehen, sowie erstmals neuronale Mechanismen aufzuzeigen, die dazu geeignet sind, den Kompass zu etablieren und zu stabilisieren. Nachdem frühere Arbeiten gezeigt hatten, dass die Polarisationsebene des blauen Himmelslichtes im Zenit der Himmelskompasskodierung zugrunde liegt, legen unsere neuen Daten nahe, dass alle am Kompasssystem beteiligten Zelltypen auch auf die Einfallsrichtung direkten Sonnenlichts reagieren und basierend hierauf in den Kolumnen der Protocerebralbrücke des Zentralkomplexes Kopfrichtungen in einem 360° Bereich kodieren. Zusätzlich weisen unsere Daten darauf hin, dass die beteiligten Neurone nicht nur auf die Polarisationsebene im Zenit reagieren, sondern das gesamte Polarisationsmuster der Himmelskuppel abbilden und allein damit die Sonnenposition eindeutig kodieren könnten. Wie die topographische Repräsentation von Kopfrichtungen auf neuronaler Ebene entsteht, ist bisher nicht bekannt. Anatomische und elektronenmikroskopische Untersuchungen legen erstmals nahe, dass neben einer direkten Interaktion zwischen den Hemisphären der Protocerebralbrücke auch negative Rückkopplungen unter Beteiligung einer benachbarten Gehirnregion, des posterioren optischen Tuberkels, geeignet sind, den Himmelskompass zu erzeugen und zu stabilisieren. Die vorliegenden Daten bilden eine gute Grundlagen, um in Zukunft Netzwerkmodelle zu entwickeln, die diese Organisation nachbilden und seine Leistungen erklären sollen. Besonders überraschend waren Daten von bisher unbekannten Neuronen, die am Ausgang des optischen Lobus die Polarisationsebene von Stimuli aus horizontaler Raumrichtung kodierten. Sie bilden offenbar ein eigenständiges System polarisationsempfindlicher Neurone und könnten geeignet sein, Wasserflächen, Blätter oder andere reflektierende Objekte basierend auf ihrem Polarisationskontrast wahrzunehmen. Dass Insekten polarisiertes Licht aus ventraler Richtung wahrnehmen können, war bereits bekannt; wir konnten erstmals Neurone identifizieren, die an dieser Leistung beteiligt sein könnten. Das Polarisationssehsystem der Heuschrecke soll in Zukunft weiter aufgeklärt werden. Mit besonderer Spannung erwarten wir Ergebnisse von Versuchen, die die Antworten der Neurone unter dem natürlichen Himmel untersuchen sollen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018) Integration of celestial compass cues in the central complex of the locust brain. The Journal of experimental biology 221 (Pt 2) jeb171207
Pegel, Uta; Pfeiffer, Keram; Homberg, Uwe
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(2014) Organization and functional roles of the central complex in the insect brain. Annu. Rev. Entomol. 59:165-184
Pfeiffer K, Homberg U
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(2015) Compass cells in the brain of an insect are sensitive to novel events in the visual world. PLoS One 10:e0144501
Bockhorst T, Homberg U
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(2015) Topographic organization and possible function of the posterior optic tubercles in the brain of the desert locust Schistocerca gregaria. J. Comp. Neurol. 523:1589-1607
Beetz JM, el Jundi B, Heinze S, Homberg U
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(2016) Neurons in the brain of the desert locust Schistocerca gregaria sensitive to polarized light at low stimulus elevations. J. Comp. Physiol. A 202:759-781
Beetz JM, Pfeiffer K, Homberg U
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(2017) Interaction of compass sensing and object-motion detection in the locust central complex. J. Neurophysiol. 118:496-506
Bockhorst T, Homberg U
