Neuronale Verarbeitung von Himmelskompassinformationen im Gehirn von Bienen

• Antragsteller: Professor Dr. Keram Pfeiffer
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 264066771

Viele Tiere besitzen einen zeitkompensierten Sonnenkompass, welcher es ihnen ermöglicht, aus dem sich kontinuierlich ändernden Sonnenazimut eine feste, erdgebundene Richtung, zum Beispiel zu einem Nest, zu bestimmen. Durch Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre entstehen am Himmel ein Farbgradient sowie ein Himmelspolarisationsmuster. Beide Phänomene stehen in direktem räumlichen Bezug zum Sonnenazimut und können daher neben dem Blick auf die Sonne ebenfalls zu dessen Bestimmung herangezogen werden. Seit über sechs Jahrzehnten dienen Bienen in Verhaltensversuchen als Modellorganismen zur Himmelskompassorientierung. Die neurobiologischen Grundlagen dieses faszinierenden Verhaltens sind jedoch bisher fast völlig unbekannt. Ziel dieses Projektes ist es, mit Hilfe neurophysiologischer Techniken die Verarbeitung navigationsrelevanter polarisierter und chromatischer Lichtreize im Gehirn von Bienen aufzuklären. Aufgrund der Fülle an Daten aus Verhaltensversuchen, dem im Vergleich zu Vertebraten relativ einfachen Nervensystem sowie der einzigartigen Möglichkeit die Tiere im Freiland, also unter natürlichen Lichtbedingungen, zu halten, bieten sich Bienen wie keine zweite Tierart für diese Versuche an. Zwei Fragestellungen bilden das Zentrum des Antrages: 1. Wie werden unpolarisierte und polarisierte Lichtreize im Gehirn der Tiere verrechnet? 2. Welche dynamischen Eigenschaften (sowohl circadian, als auch auf der ms-s Zeitskala) hat das Himmelskompasssystem? Beim Navigieren nach dem Himmelskompass muss das Gehirn eine anspruchsvolle Aufgabe bewältigen. Zum einen werden alle verfügbaren Informationen über den Sonnenzimut (Orientierung von polarisierten Lichtreizen, Azimut und Farbe unpolarisierter Lichtreize) zu dessen Bestimmung integriert, zum Anderen muss gewährleistet sein, dass eindeutig zwischen Himmel, Sonne und Wolken unterschieden werden kann. Ist zum Beispiel die Sonne nicht direkt sichtbar, so darf nicht eine von der Sonne angestrahlte Wolke fälschlich als Sonne interpretiert werden. Durch Stimulation mit verschiedenen polarisierten und unpolarisierten Lichtreizen sollen in intrazellulären Ableitungen die zugrundeliegenden Mechanismen aufgeklärt werden. Im zweiten Themenkomplex werden längerfristige und kurzfristige Änderungen der Eigenschaften der am Himmelskompasssystem beteiligten Neurone untersucht. Zum einen werden mit Hilfe extrazellulärer Ableitungen und Calcium Imaging tageszeitliche Änderungen und der Einfluss verschiedener neuroaktiver Substanzen hierauf untersucht. Zum anderen sollen mit intrazellulären Ableitungen kurzfristige Änderungen im Tuning der Neurone untersucht werden, die durch dynamische visuelle Reize, wie sie zum Beispiel im Flug auftreten, hervorgerufen werden. Die Ergebnisse dieses Projektes werden Einblicke in fundamentale neuronale Prinzipien der sensorischen Verarbeitung navigationsrelevanter visueller Stimuli liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen