(Zf L/Moment/Getty Images) Für jede Art, die über einen längeren Zeitraum überleben möchte, ist es wichtig zu wissen, wann sie sich auf die Suche nach Nahrung machen und wann sie anhalten und stattdessen fressen sollte – und der Schalter im Gehirn, der diese Verhaltensweisen steuert, wurde gerade identifiziert.
Während die Entdeckung im relativ einfachen Gehirn des gemacht wurde Caenorhabditis elegans Wurm , sind Forscher zuversichtlich, dass das Verständnis dieser komplizierten Gehirnverdrahtungen uns Aufschluss darüber geben kann, wie diese Prozesse auch bei anderen Tieren, einschließlich Menschen, funktionieren könnten.
Es hängt alles mit etwas zusammen, worüber Wissenschaftler derzeit nicht viel verstehen: Wie Gehirne dauerhafte, langfristige Verhaltensgewohnheiten erlernen und gleichzeitig flexibel genug bleiben können, diese Gewohnheiten zu ändern, wenn die aktuelle Situation dies erfordert.
„Für einen Wurm auf Nahrungssuche hat die Entscheidung, umherzuwandern oder zu bleiben, einen großen Einfluss auf sein Überleben.“ sagt der Neurowissenschaftler Steven Flavell vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).
„Wir dachten, dass die Untersuchung, wie das Gehirn diesen entscheidenden Entscheidungsprozess steuert, grundlegende Schaltkreiselemente aufdecken könnte, die im Gehirn vieler Tiere zum Einsatz kommen könnten.“
Es gibt nur 302 Neuronen im C. elegans Gehirn, aber diesen Wechsel zwischen Festmahl und Futter aufzuspüren, war immer noch eine erhebliche Herausforderung: Das Team ging sogar so weit, einen völlig neuen Mikroskoptyp zu entwickeln, der es ihnen ermöglichte, die Neuronenaktivität anhand von Kalziumspuren zu verfolgen, die Lichtblitze auslösten, während sich die Tiere frei bewegten .
Anschließend wurden Softwarealgorithmen verwendet, um diese Aktivität dem Verhalten des Wurms zuzuordnen und die Verbindungen zwischen beiden zu finden. Nachdem die Software trainiert wurde, konnte sie mit einer Genauigkeit von 95 Prozent vorhersagen, was ein Wurm tun würde, basierend auf der Art und Weise, wie seine Neuronen feuerten.
Durch den Prozess konnten insbesondere vier Neuronen identifiziert werden, die mit dem Umherstreifen auf der Suche nach Nahrung in Zusammenhang stehen. Das Verweilen an Orten hingegen fiel mit dem Auslösen eines einzelnen Neurons namens NSM – eines Neurons – zusammen zuvor verlinkt um dem Gehirn mitzuteilen, ob Nahrung aufgenommen wurde.
Neuronen unter dem Mikroskop. (MIT)
Das Team untersuchte die Neuronenaktivität genauer und stellte fest, dass sich diese beiden Prozesse gegenseitig hemmten. Die vier Futterzellen produzierten eine Chemikalie namens PDF, um NSM zu unterdrücken, und NSM produzierte Serotonin, um die umherstreifenden Zellen zu unterdrücken. Aber was kontrollierte, welcher Stromkreis zuständig war?
Weitere Analysen ergaben, dass ein Neuron namens AIA dafür verantwortlich war, den Schalter zwischen den vier Neuronen (für die Nahrungssuche) und NSM (für das Schlemmen) umzulegen. Frühere Studien haben AIA mit dem Geruch von Lebensmitteln in Verbindung gebracht, der ein wichtiger Auslöser zu sein scheint.
„Für einen futtersuchenden Wurm sind Nahrungsgerüche ein wichtiger, aber mehrdeutiger sensorischer Hinweis.“ sagt Flavell .
„Die Fähigkeit von AIA, Lebensmittelgerüche zu erkennen und diese Informationen abhängig von anderen eingehenden Hinweisen an diese verschiedenen nachgeschalteten Schaltkreise weiterzuleiten, ermöglicht es Tieren, den Geruch zu kontextualisieren und adaptive Futtersuchentscheidungen zu treffen.“
Wenn AIA durch Essensgerüche ausgelöst wird, arbeitet es abhängig von anderen Rückmeldungen entweder mit den umherwandernden oder fütternden Schaltkreisen des Gehirns. Die Forscher vermuten, dass AIA weiterhin mit NSM zusammenarbeiten wird, um die Nahrungsaufnahme fortzusetzen, wenn der Wurm Nahrung riechen kann, aber auch weiß, dass er frisst (über Rückmeldung von NSM).
Wenn der Wurm jedoch Nahrung riechen kann und nicht frisst, schaltet AIA auf die Roaming-Schaltung um, damit der Wurm herausfinden kann, wo sich die Nahrung befindet.
Und je mehr wir wissen über das Gehirn – bei Würmern und bei anderen Tieren – desto besser können wir verstehen, wie Verhaltensweisen gesteuert werden. Entdeckungen wie diese können bei allem hilfreich sein, von der Erforschung der Evolutionsgeschichte bis zur Behandlung von Hirnerkrankungen.
„Wenn Sie nach Schaltkreiselementen suchen, die auch in größeren Gehirnen funktionieren könnten, sticht [AIA] als Grundmotiv hervor, das kontextabhängiges Verhalten ermöglichen könnte.“ sagt Flavell .
Die Forschung wurde veröffentlicht in eLife .