Neuronale Grundlagen der akustischen Kommunikation in Drosophila
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sozialverhalten hängt oft von akustischer Kommunikation ab, doch die Mechanismen dahinter sind weitgehend unbekannt. Wir untersuchten diese Prozesse anhand des Balzverhaltens von Drosophila, mittels Verhaltensexperimenten, genetischen Manipulationen, Calcium-Imaging und computergestützter Modellierung. Drosophila-Männchen nutzen chemische Signale zur Balzeinleitung. Weibliche Signale fördern und männliche Signale unterdrücken die Balz. Es ist bekannt das der Gesang die unterdrückenden männlichen Signale kompensieren kann. Diese Integration akustischer und chemischer Signale war unser erstes Forschungsziel. Durch systematische Manipulation chemischer und akustischer Signale während sozialer Interaktionen stellten wir fest, dass gustatorische und akustische Signale linear integriert werden. Statistische Modelle zeigen, dass männliche gustatorische Signale Interaktionen unterdrücken und Aggression fördern, während weibliche Signale Interaktionen und Balz begünstigen. Olfaktorische Signale spielen eine sekundäre Rolle. Balzende Männchen jagen Weibchen und erzeugen einen Gesang durch Flügelbewegungen sowie substratgetragene Vibrationen. Im zweiten Projektteil identifizierten wir Verhaltenskontexte und neuronale Schaltkreise für multimodale Signalgebung. Computermodelle und optogenetische Manipulationen zeigen, dass Stationarität Vibrationen antreibt. Bekannte Hirnneurone die den Gesang auslösen treiben auch Vibrationen und den Bewegungszustand. Ein einziger Schaltkreis kontrolliert und koordiniert also die multimodale Signalgebung mit anderen Verhaltensweisen, was eine effiziente globale Modulation ermöglicht. Weibchen und Männchen integrieren verschiedene Signale für ihr Paarungsverhalten. Playback-Experimente zeigen geschlechtsspezifische Reaktionen auf Gesang, aber gemeinsame Merkmalsselektivität. Wir identifizierten Neuronen, die bei beiden Geschlechtern artspezifische Lieder erkennen und geschlechtsspezifische Verhaltensreaktionen auslösen. Diese Neuronen weisen ähnliche Merkmalsselektivität auf, lösen aber unterschiedliche motorische Reaktionen aus. Durch Kombination genetischer Werkzeuge und Modellierung haben wir neuronale Mechanismen des Sozialverhaltens von Drosophila aufgeklärt. Unsere Ergebnisse zeigen, wie das Gehirn soziale Interaktionen, Signalauswahl, -wahrnehmung und -interpretation steuert. Zusammenfassend bietet unsere Studie einen umfassenden Einblick in die neuronalen Grundlagen der akustischen Kommunikation und des Sozialverhaltens bei Drosophila. Sie zeigen, wie verschiedene sensorische Eingänge verarbeitet und integriert werden, um kontextabhängige Reaktionen zu erzeugen. Diese Forschung erweitert nicht nur unser Wissen über die Neurobiologie von Drosophila, sondern liefert auch Einblicke in allgemeine Prinzipien der sozialen Kommunikation bei Tieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Acoustic Pattern Recognition and Courtship Songs: Insights from Insects. Annual Review of Neuroscience, 42(1), 129-147.
Baker, Christa A.; Clemens, Jan & Murthy, Mala
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Shared Song Detector Neurons in Drosophila Male and Female Brains Drive Sex-Specific Behaviors. Current Biology, 29(19), 3200-3215.e5.
Deutsch, David; Clemens, Jan; Thiberge, Stephan Y.; Guan, Georgia & Murthy, Mala
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Coding Strategies in Insects. The Senses: A Comprehensive Reference, 100-113.
Clemens, Jan & Hennig, R. Matthias
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The neural basis for a persistent internal state in Drosophila females. eLife, 9.
Deutsch, David; Pacheco, Diego; Encarnacion-Rivera, Lucas; Pereira, Talmo; Fathy, Ramie; Clemens, Jan; Girardin, Cyrille; Calhoun, Adam; Ireland, Elise; Burke, Austin; Dorkenwald, Sven; McKellar, Claire; Macrina, Thomas; Lu, Ran; Lee, Kisuk; Kemnitz, Nico; Ih, Dodam; Castro, Manuel; Halageri, Akhilesh ... & Murthy, Mala
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A small, computationally flexible network produces the phenotypic diversity of song recognition in crickets. eLife, 10.
Clemens, Jan; Schöneich, Stefan; Kostarakos, Konstantinos; Hennig, R Matthias & Hedwig, Berthold
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Fast and accurate annotation of acoustic signals with deep neural networks. eLife, 10.
Steinfath, Elsa; Palacios-Muñoz, Adrian; Rottschäfer, Julian R.; Yuezak, Deniz & Clemens, Jan
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Sex-specific speed–accuracy trade-offs shape neural processing of acoustic signals in a grasshopper. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 288(1945), 20210005.
Clemens, Jan; Ronacher, Bernhard & Reichert, Michael S.
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Drosophilafemales have an acoustic preference for symmetric males. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13).
Vijendravarma, Roshan Kumar; Narasimha, Sunitha; Steinfath, Elsa; Clemens, Jan & Leopold, Pierre
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Flexible control of vocal timing in Carollia perspicillata bats enables escape from acoustic interference. Communications Biology, 6(1).
Kiai, Ava; Clemens, Jan; Kössl, Manfred; Poeppel, David & Hechavarría, Julio
