Ko-evolution und -integration von Pilzkörper und Zentralkomplex

• Antragsteller: Dr. Max Stephen Farnworth
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450708951

Spezies unterscheiden sich stark in Hirnstruktur und -funktion. Diese Unterschiede spiegeln die Anpassung jeder Spezies an ihre Umwelt wider. Allerdings finden evolutionäre Veränderungen einer Teilstruktur und Funktion nur statt, wenn andere Funktionen des Hirns erhalten bleiben können. Ich möchte das Zusammenspiel von solchen funktionellen Beschränkungen und der Veränderbarkeit des Hirns in diesem Projekt anhand des Modellsystems und Tribus Heliconiini untersuchen. Hier zeigt ein Genus dieser neotropischen Schmetterlinge, Heliconius, eine Verhaltensinnovation. Heliconius benutzt Pollen als Futterquelle. Damit muss das Gehirn ein Erinnern an den Standort der Futterpflanzen im Raum ermöglichen. Ein Hirnareal, der Pilzkörper, bekommt dafür visuelle Informationen, die das Volumen dieses Areals so stark vergrößert, dass es vierfach so groß sein kann wie in nah verwandten Spezies, die diese Verhaltensweise nicht zeigen. Erinnerungen an räumliche Information werden in anderen Tieren, so auch dem neurobiologischen Modell Drosophila, nicht im Pilzkörper, sondern in einem anderen Areal, dem Zentralkomplex, verarbeitet. Demnach sollten diese beiden Areale zusammen evolvieren, oder zumindest eine gemeinsame Verschaltung bilden, um räumliche Erinnerungen in Heliconiini zu ermöglichen. Interessanterweise scheint aber der Zentralkomplex in der Größe kaum zu variieren, im Gegensatz zu der massiven Variation in den Pilzkörpern.Ich möchte untersuchen, wie diese beiden Areale miteinander evolvieren, herausfinden was der Anteil der funktionellen Beschränkungen und Veränderbarkeit ist, allerdings dabei wesentlich weiter gehen als reine Größenunterschiede. Dafür habe ich drei Arbeitsteile entwickelt. Zuerst möchte ich mit im Gastlabor vorhandenen Daten globale Muster in der Investition in Volumen von 45 Heliconiini Spezies anhand phylogenetisch statistischer Methoden untersuchen. In Arbeitsteil 2 und 3 werde ich dann die vier Spezies mit der höchsten Volumendiversität benutzen, um unterliegende Variablen zu bestimmen. In Arbeitsteil 2 werde ich evolutionär konservierte neuroaktive Substanzen benutzen, um Details mit Immunohistochemie zu enthüllen. Zusammen mit einem Synapsenmarker werde ich die synaptische Dichte und die Expressionshöhe der neuroaktiven Substanzen bestimmen. Außerdem werde ich aufwendige neuronale Registrationen und Morphometrie benutzen, um auch die Art und Weise der Expression dieser Substanzen zu quantifizieren. Im dritten Arbeitsteil werde ich die tatsächlichen Verbindungen der beiden Neuropile untersuchen, indem ich Neurobiotin per Mikroinjektion in die Neuronen bringe. Die Unterschiede der Spezies in dieser Vielzahl an Variablen wird anschließend statistisch mit den Arealgrößen aus Arbeitsteil 1 verglichen. Mit diesem Arbeitspaket werde ich die noch kaum verstandenen Themen der Koevolution und den Zusammenhang zwischen funktionellen Beschränkungen und Veränderbarkeit anhand eines soweit beispielslosem Detailreichtums beleuchten können.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Dr. Stephen H. Montgomery