Sensorische Signalverarbeitung im Zentralkomplex der Schabe Rhyparobia maderae

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe Homberg
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418011225

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Insekten verfügen ähnlich wie Wirbeltiere über ausgefeilte Mechanismen zur räumlichen Orientierung, die es ihnen ermöglichen, zielgerichtete saisonale Wanderungen durchzuführen oder die Rückkehr zu einem entfernten Nest zu finden. Hierbei orientieren sie sich häufig relativ zur Sonne (Sonnenkompassorientierung), wobei sie neben dem direkten Sonnenlicht auch das für den Menschen nicht sichtbare, von der Sonne erzeugte Polarisationsmuster des blauen Himmels verwenden. Diese Signale werden von einer zentralen Gehirninstanz, dem Zentralkomplex ausgewertet und in zielgerichtete Steuersignale zur Lauf- und Flugmotorik umgesetzt. Der Zentralkomplex besteht aus einem neuronalen Netzwerk, bestehend aus Schichten und senkrecht hierzu orientierten Kolumnen. Bei Wüstenheuschrecken und Fruchtfliegen ähnelt er einem internen Kompass, bei dem Himmelsrichtungen in einem 360° Bereich abgebildet und zur Orientierung genutzt werden. Im vorliegenden Projekt sollte untersucht werden, ob bei einem nachtaktiven Insekten, der Madeiraschabe Rhyparobia maderae der Zentralkomplex ähnlich wie bei tagaktiven Insekten aufgebaut ist, ob die Neurone ebenfalls auf Himmelskompasssignale reagieren und ob und wie diese mit anderen orientierungsrelvanten Sinneseingängen, wie mechanosensorische Signalen von den Antennen verrechnet werden. Die erste Frage konnte umfassend beantwortet werden. Der Zentralkomplex ähnelt in seinem Aufbau dem der Heuschrecke, zeigt aber gegenüber anderen Insekten einige Besonderheiten. Die Eingangsstufe des Zentralkomplexes, die untere Einheit des Zentralkörpers, ist nicht wie bei anderen Insekten in Schichten, sondern in eine miteinander verzahnte Organisation von kegel- und zapfenartigen Domänen organisiert. Viele Neurone haben prominente Verbindungen zu einer benachbarten Gehirnregion, der anterioren Lippe, die bei anderen Insekten reduziert ist, und bei Fliegen vollständig fehlt. Der anteriore optische Tuberkel, eine dem Zentralkomplex vorgelagerte Struktur in der Polarisationssehbahn, ist vorhanden aber in seiner Größe stark reduziert. Intrazelluläre Ableitungen zeigten, dass Neurone, die auch bei anderen Insekten auf Himmelkompasssignale reagieren, auch bei der Schabe empfindlich für polarisiertes Licht und die Richtung einer Punktlichtquelle (Sonne) sind, allerdings waren diese Reaktionen weniger stark ausgeprägt und fehlten in einigen Ableitungen ganz. Zusammenfassend zeigen die Arbeiten, das auch bei der nachtaktiven Schabe Himmelskompasssignale im Zentralkomplex verarbeitet werden, aber vermutlich stärker als bei tagaktiven Insekten mit anderen, bisher nicht geklärten sensorischen Eingängen, für eine zielgerichtete Kopfrichtungskodierung genutzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A unified platform to manage, share, and archive morphological and functional data in insect neuroscience. eLife, 10.
  Heinze, Stanley; el Jundi, Basil; Berg, Bente G.; Homberg, Uwe; Menzel, Randolf; Pfeiffer, Keram; Hensgen, Ronja; Zittrell, Frederick; Dacke, Marie; Warrant, Eric; Pfuhl, Gerit; Rybak, Jürgen & Tedore, Kevin
  
• Distribution and daily oscillation of GABA in the circadian system of the cockroach Rhyparobia maderae. Journal of Comparative Neurology, 530(5), 770-791.
  Massah, Azar; Neupert, Susanne; Brodesser, Susanne; Homberg, Uwe & Stengl, Monika
  
• Tyrosine hydroxylase immunostaining in the central complex of dicondylian insects. Journal of Comparative Neurology, 529(12), 3131-3154.
  Timm, Josephine; Scherner, Mara; Matschke, Jannik; Kern, Martina & Homberg, Uwe
  
• 3D‐atlas of the brain of the cockroach Rhyparobia maderae. Journal of Comparative Neurology, 530(18), 3126-3156.
  Althaus, Vanessa; Jahn, Stefanie; Massah, Azar; Stengl, Monika & Homberg, Uwe
  
• Comparative morphology of serotonin‐immunoreactive neurons innervating the central complex in the brain of dicondylian insects. Journal of Comparative Neurology, 531(14), 1482-1508.
  Homberg, Uwe; Kirchner, Michelle; Kowalewski, Kevin; Pitz, Vanessa; Kinoshita, Michiyo; Kern, Martina & Seyfarth, Jutta
  
• Neuroarchitecture of the central complex in the Madeira cockroach Rhyparobia maderae: Pontine and columnar neuronal cell types. Journal of Comparative Neurology, 531(16), 1689-1714.
  Jahn, Stefanie; Althaus, Vanessa; Heckmann, Jannik; Janning, Mona; Seip, Ann‐Katrin; Takahashi, Naomi; Grigoriev, Clara; Kolano, Juliana & Homberg, Uwe
  
• Anatomical organization of the cerebrum of the praying mantis Hierodula membranacea. Journal of Comparative Neurology, 532(3).
  Althaus, Vanessa; Exner, Gesa; von Hadeln, Joss; Homberg, Uwe & Rosner, Ronny