Wie Fruchtfliegen interne Darstellungen der Kopfrichtung nutzen, um eine zielgerichtete Navigation zu unterstützen

Wir wissen, dass das Verhalten von Tieren auf der Umwandlung sensorischer Informationen in motorische Befehle beruht, die häufig von den inneren Bedürfnissen des Tieres beeinflusst werden. Während dieser Prozess bei Säugetieren und anderen Großtieren durch komplexe Gehirnprozesse unterstützt wird, könnten einfachere Versionen dieses Prozesses auch das Verhalten kleinerer Lebewesen, einschließlich Insekten, steuern.

Um ihre Aktionen zu planen, wenn keine Sinnessignale verfügbar sind, haben sich einige Tiere so entwickelt, dass sie sich auf interne Darstellungen ihrer Beziehung zu ihrer Umwelt verlassen. Diese Darstellungen können Informationen über die Richtung ihres Kopfes enthalten oder von Ortszellen, Neuronen im Hippocampus, gesammelt werden, die interne „Karten“ der Umgebung bilden.

Forscher am Howard Hughes Medical Institute haben kürzlich untersucht, wie Fruchtfliegen gleichzeitig neue Umgebungen kartieren und diese internen Darstellungen nutzen, um zu bestimmen, welche Ziele sie verfolgen sollen. Ihr Artikel, veröffentlicht in Neuronbietet neue Erkenntnisse darüber, wie interne Repräsentationen das zielgerichtete Verhalten von Tieren steuern können.

„Die Verankerung von Zielen in räumlichen Darstellungen ermöglicht eine flexible Navigation, stellt jedoch in neuen Umgebungen, in denen beide Darstellungen gleichzeitig erfasst werden müssen, eine Herausforderung dar“, schreiben Chuntao Dan, Brad K. Hulse und Kollegen in ihrem Artikel. „Wir schlagen einen Rahmen vor, der erklärt, wie Drosophila interne Darstellungen der Kopfrichtung (HD) verwendet, um Zieldarstellungen durch selektive thermische Verstärkung zu konstruieren. »

Die Forscher führten Experimente an gewöhnlichen Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) durch. Das Verhalten der Fliegen wurde durch Hitze beeinflusst, die mit verschiedenen Fällen sich wiederholender visueller Muster verbunden war.

Diese visuellen Muster veränderten die internen HD-Darstellungen der Fliegen, was es den Forschern ermöglichte, zu beobachten, wie sich entwickelnde HD-Darstellungen mit den Zielen der Fliegen interagierten und letztendlich deren Verhalten beeinflussten. Mithilfe von Algorithmen für maschinelles Lernen und Daten aus früheren Studien an Fruchtfliegen versuchten die Forscher herauszufinden, wie diese Prozesse in einer Region des Insektengehirns ablaufen könnten, die als Zentralkomplex (CX) bekannt ist.

„Wir zeigen, dass Fliegen stochastisch erzeugte Fixierungen und gerichtete Sakkaden verwenden, um Richtungspräferenzen in einem operanten visuellen Lernparadigma auszudrücken, und dass HD-Neuronen erforderlich sind, um diese Präferenzen als Funktion der Verstärkung zu modifizieren“, schrieben Dan, Hulse und ihre Kollegen. „Wir haben einen symmetrischen visuellen Rahmen verwendet, um aufzuzeigen, wie sich die HD- und Zieldarstellungen von Fliegen gemeinsam entwickeln und wie sich die Zuverlässigkeit dieser interagierenden Darstellungen auf das Verhalten auswirkt. »

Die Ergebnisse dieser aktuellen Studie liefern neue Erkenntnisse darüber, wie Fliegen gleichzeitig ihre Umgebung kartieren und interne Ziele mit den Karten verknüpfen, die beim ersten Erleben einer neuen Umgebung erstellt wurden. Durch die Analyse ihrer experimentellen Daten und zuvor gesammelter Ergebnisse mithilfe von Computermodellen erstellten die Forscher anschließend einen Rahmen, der beschreibt, wie das Gehirn der Fruchtfliege das zielgerichtete Verhalten der Insekten in neuartigen Umgebungen unterstützt.

„Wir beschreiben, wie das schnelle Erlernen neuer Ziele auf einer Verhaltenspolitik beruhen kann, deren Parameter flexibel sind, deren Form jedoch genetisch in der Schaltkreisarchitektur kodiert ist“, schrieben Dan, Hulse und ihre Kollegen. „Solche evolutionär strukturierten Architekturen, die ein schnell adaptives Verhalten ermöglichen, das durch interne Repräsentationen gesteuert wird, könnten für alle Arten relevant sein.“ »

Die Forscher führten ihre Experimente an Fruchtfliegen durch, stellten jedoch fest, dass ähnliche Schaltkreisarchitekturen und Prozesse wie die von ihnen entdeckten auch bei anderen Arten existieren könnten. Zukünftige Studien mit genetischen Techniken könnten zusätzliches Licht auf die Zellen werfen, die an dem von den Forschern identifizierten zielgerichteten Lernprozess beteiligt sind, oder könnten dabei helfen, analoge Prozesse bei anderen Tieren zu identifizieren.

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