Parallele räumliche Signalverarbeitung im visuellen System von Insekten
Biologie des Verhaltens und der Sinne
Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unsere Sinne nehmen hochkomplexe Signale aus ihrer Umgebung auf. Sie extrahieren daraus die notwendigen Informationen um uns einen Eindruck von unserer Umwelt zu vermitteln. Dazu werden die eintreffenden Signale von parallelen Kanälen gefiltert und so die multidimensionalen Sinneseindrücke in leichter zu handhabende Informationspakete aufgeteilt. Der Sehsinn akquiriert besonders vielschichtige Informationen über unsere Umwelt. Aber die Fülle an Informationen erhöht auch die Notwendigkeit, diese von Anfang an effektiv zu filtern, um sie mit den zur Verfügung stehenden neuronalen Kapazitäten verarbeiten zu können. Ein wichtiges Beispiel hierfür sind parallele räumliche Kanäle im visuellen System. Sie können helfen, den Trade-off zwischen räumlicher Auflösung und Sensitivität auf aufgabenspezifische Weise zu lösen. Primaten, inklusive Menschen, haben verschiedene räumliche Filter für stationäre und sich bewegende visuelle Reize: wir sehen stationäre Muster mit höherer räumlicher Auflösung als sich bewegende Muster. Im Gegensatz zu Wirbeltieren ist im visuellen System der Insekten dazu wenig bekannt. Unser Projekt plante diese Wissenslücke zu schließen am Modell der Schwärmer, einer Gruppe von Insekten mit hervorragenden visuellen Fähigkeiten. Wir begannen dieses Projekt mit einer detaillierten Charakterisierung der Morphologie und neuronalen Konnektivität von Lamina-Monopolzellen im Taubenschwänzchen, einem tagaktiven Schwärmer. Wir stellten zu unserer Überraschung fest, dass frühere Klassifikationen ihrer Laminaneurone nicht korrekt waren. Wir haben daher eine neue Klassifikation der Lamina- Monopolzellen von verschiedenen Schwärmerarten etabliert, und Homologie zu denselben Zellen in Fruchtfliegen festgestellt. Letzteres mache es möglich, die Relevanz unserer Ergebnisse auf gut beschriebene neuronale Schaltkreise, insbesondere des Bewegungssehens, auszudehnen. Daran anschließend untersuchten wir die räumliche Auflösung von translationalem optischen Fluss-basierten Flug der Taubenschwänzchen, sowie die allometrische Beziehung zwischen Augen-, Körpergröße und räumlicher Schärfe, korreliert mit ihrer Verhaltensleistung. Dabei stellten wir fest, dass die Flugkontrolle der Tiere, basierend auf Bewegungssehen, nicht durch ihre räumliche, sondern ihre zeitliche Auflösung begrenzt wird. Mit Hilfe desselben Setups machten wir eine unerwartete Entdeckung, und fanden eine bisher unbeschriebene Strategie der Flugsteuerung im Taubenschwänzchen, die ihnen hilft, geschlossene Blätterdächer zu vermeiden. Dieser Verarbeitungsweg agiert parallel mit der bewegungsbasierten Flugsteuerung. Dabei teilt sich das Gesichtsfeld zwischen den beiden Systemen, entsprechend der Verteilung der relevanten visuellen Information in den natürlichen Habitaten der Tiere. Zusammenfassend hat dieses Projekt unser Verständnis des Sehvermögens von Insekten erweitert, indem es neue Einblicke in die periphere visuelle Verarbeitung bei Schwärmern liefert und Homologien zu anderen Insekten, insbesondere zu Fliegen, herstellt. Darüber hinaus wurden neue Strategien zur Flugsteuerung von Insekten aufgedeckt und der Rahmen geschaffen, um die visuelle Verarbeitung von Insekten mit den Informationen in natürlichen visuellen Habitaten mittels computergestützter Modellierung zu verknüpfen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Natural image statistics in the dorsal and ventral visual field match a switch in flight behaviour of a hawkmoth. Current Biology, 31(6), R280-R281.
Bigge, Ronja; Pfefferle, Maximilian; Pfeiffer, Keram & Stöckl, Anna
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Spatial tuning of translational optic flow responses in hawkmoths of varying body size. J Comp Physiol A. 208:279-296. Source Data Repository
Grittner, R., Baird, E. & Stöckl, A.
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Spatial tuning of translational optic flow responses in hawkmoths of varying body size. Journal of Comparative Physiology A, 208(2), 279-296.
Grittner, Rebecca; Baird, Emily & Stöckl, Anna
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Allometric scaling of a superposition eye optimises sensitivity and acuity in large and small hawkmoths. Proc Biol Sci. B. 289:20220758. Source Data Repository
Stöckl, A., Grittner, R., Taylor, G., Rau, C., Bodey, AJ, Kelber, A. & Baird, E.
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Allometric scaling of a superposition eye optimizes sensitivity and acuity in large and small hawkmoths. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 289.
Stöckl, Anna; Grittner, Rebecca; Taylor, Gavin; Rau, Christoph; Bodey, Andrew J.; Kelber, Almut & Baird, Emily
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Night skies through animals’ eyes—Quantifying night-time visual scenes and light pollution as viewed by animals. Frontiers in Cellular Neuroscience, 16.
Stöckl, Anna Lisa & Foster, James Jonathan
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Source data: Night skies through animals’ eyes – quantifying night-time visual scenes and light pollution as viewed by animals.. figshare. Source Data Repository
Stöckl, A. & Foster J.
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Integration of parallel pathways for flight control reflects prevalence and relevance of natural visual cues. Code Repository
Bigge, R., Grittner, R. & Stöckl, A.
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Integration of parallel pathways for flight control in a hawkmoth reflects prevalence and relevance of natural visual cues. eLife Sciences Publications, Ltd.
Bigge, Ronja; Grittner, Rebecca & Stöckl, Anna
