Die Ontogenie von Navigation bei Cataglyphis Ameisen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Rössler
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405620408

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Cataglpyhis Wüstenameisen sind geschickte Langstrecken-Navigatoren. Frühere Arbeiten zeigen, dass erfahrene Sammlerinnen die Position der Sonne und des assoziierten Polarisationsmusters als Kompass nutzen. Die Richtungsinformation wird mit der Entfernungsinformation eines Schrittintegrators zu einem Heimvektor verrechnet, der den kürzesten Weg zurück zum Nest anzeigt (Wegintegration). Um kumulative Fehler zu vermeiden, speichern die Ameisen visuelle Panoramen, wenn vorhanden, als Navigationshilfen. Die Ontogenie der Cataglpyhis Ameisen bietet einen einmaligen Zugang zum Verständnis neuronaler Mechanismen der Verhaltensentwicklung zum erfolgreichen Navigator. Das Projekt fokussierte auf den Verhaltensübergang von Tätigkeiten im dunklen unterirdischen Nest zum Futtersammeln bei hellem Sonnenschein. Wie wird dieser Übergang gesteuert, wie passen sich die Ameisen an die neue visuelle Umgebung an, und wie sammeln sie wichtige Navigationsinformation vor Beginn ihrer Sammeltätigkeiten? Wir haben die Rolle von Neuropeptiden beim Innendienst-Außendienst Übergang untersucht. Mittels umfassender Transkriptom-Peptidom Analysen haben wir 71 Peptide mit potenziell neuroaktiver Funktion im Gehirn von Cataglyphis nodus charakterisiert und 22 durch Massenspektromie-Imaging kartiert. Wir haben einen 3D-Atlas des Gehirns von C. nodus mit 33 Gehirn-Neuropilen und 30 neuronalen Fasertrakten als Plattform für neuronale Kartierungen etabliert. Statusabhängige Veränderungen von mRNA-Leveln selektierter Neuropeptid-Kandidaten und assoziierte neuronale Strukturveränderungen legen nahe, dass die Neuropeptide Corazonin und Allatostatin-A an der Modulation des Innendienst-Außendienst Übergangs beteiligt sind. Bevor die Ameisen erste Sammelausflüge unternehmen, machen sie für 2-3 Tage strukturierte Lernläufe. Sie laufen dabei nahe am Nesteingang Schleifen in verschiedene Himmelsrichtungen. Unsere Manipulationsexperimente zeigen, dass junge Ameisen, im Gegensatz zu erfahrenen Sammlerinnen, während der Lernläufe das Erdmagnetfeld als Referenz-Kompass verwenden, während sie Panorama-Ansichten speichern und ihren Himmelskompass kalibrieren. Lernläufe führen zu plastischen Veränderungen in visuellen Schaltkreisen in Integrationszentren der Pilzkörper (PK) und des Zentralkomplexes (ZK). Die Zunahme synaptischer Boutons visueller Projektionsneurone im PK und Volumensplastizität im ZK werden ausschließlich nach Lernläufen mit kombinierter Erfahrung eines dynamischen Himmelspolarisationsmusters und eines stabilen Magnetfeldes (Referenzkompass) ausgelöst. Basierend auf diesen Ergebnissen und der Kartierung sensorischer Projektionen der sensorischen Afferenzen visueller Bahnen und Projektionen des Johnston’schen Organs der Antenne entwickeln wir ein Modell zur Integration multisensorischer Navigationsinformation im Ameisengehirn während der Lernläufe.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Neuroplasticity in desert ants (Hymenoptera: Formicidae) – importance for the ontogeny of navigation. Myrmecol News 29:1-20.
  Rössler W.
  
• Johnston's organ and its central projections in Cataglyphis desert ants. Journal of Comparative Neurology, 529(8), 2138-2155.
  Grob, Robin; Tritscher, Clara; Grübel, Kornelia; Stigloher, Christian; Groh, Claudia; Fleischmann, Pauline N. & Rössler, Wolfgang
  
• Kompass im Kopf. Biologie in unserer Zeit, 50(2), 100-109.
  Fleischmann, Pauline; Grob, Robin & Rössler, Wolfgang
  
• Magnetoreception in Hymenoptera: importance for navigation. Animal Cognition, 23(6), 1051-1061.
  Fleischmann, Pauline N.; Grob, Robin & Rössler, Wolfgang
  
• The brain of Cataglyphis ants: Neuronal organization and visual projections. Journal of Comparative Neurology, 528(18), 3479-3506.
  Habenstein, Jens; Amini, Emad; Grübel, Kornelia; el Jundi, Basil & Rössler, Wolfgang
  
• Magnetosensation during re-learning walks in desert ants (Cataglyphis nodus). Journal of Comparative Physiology A, 208(1), 125-133.
  Fleischmann, Pauline N.; Grob, Robin & Rössler, Wolfgang
  
• Neuropeptides as potential modulators of behavioral transitions in the ant Cataglyphis nodus. Journal of Comparative Neurology, 529(12), 3155-3170.
  Habenstein, Jens; Thamm, Markus & Rössler, Wolfgang
  
• Sex‐specific and caste‐specific brain adaptations related to spatial orientation in Cataglyphis ants. Journal of Comparative Neurology, 529(18), 3882-3892.
  Grob, Robin; Heinig, Niklas; Grübel, Kornelia; Rössler, Wolfgang & Fleischmann, Pauline N.
  
• Transcriptomic, peptidomic, and mass spectrometry imaging analysis of the brain in the ant Cataglyphis nodus. Journal of Neurochemistry, 158(2), 391-412.
  Habenstein, Jens; Schmitt, Franziska; Liessem, Sander; Ly, Alice; Trede, Dennis; Wegener, Christian; Predel, Reinhard; Rössler, Wolfgang & Neupert, Susanne
  
• Rotation of skylight polarization during learning walks is necessary to trigger neuronal plasticity inCataglyphisants. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 289(1967).
  Grob, Robin; Holland, Cunz Oliver; Grübel, Kornelia; Pfeiffer, Keram; Rössler, Wolfgang & Fleischmann, Pauline N.
  
• The role of learning-walk related multisensory experience in rewiring visual circuits in the desert ant brain. Journal of Comparative Physiology A, 209(4), 605-623.
  Rössler, Wolfgang; Grob, Robin & Fleischmann, Pauline N.