AG Haberkern - Verhaltensstrategien und neuronale Mechanismen zur robusten Navigation

Wie wissen Tiere wo sie sind und wie sie navigieren sollen?
Sich in unterschiedlichen und dynamisch verändernden Umgebungen zu orientieren, und angemessene Verhaltensstrategien zur Navigation zu wählen, ist ein fundamentales und zugleich komplexes Problem. Abstrakte Repräsentationen der räumlichen Umwelt ermöglichen flexible und robuste Navigation, solange das Gehirn in der Lage ist relevante Informationen aus der Umwelt zu extrahieren und zu kombinieren. So wurde in vielen Tierarten eine Art neuronaler Kompass beschrieben, welcher eine Kompassrichtung von Umweltreizen wie der Sonnenposition oder Windrichtung abliest. Bis heute unklar ist, wie sensorische Signale verarbeitet werden damit sich daraus ein stabiler Kompasssinn in sich verändernden Umweltbedingungen ergibt. Zudem ist wenig darüber bekannt, wie dieser neuronale Kompass für die Navigation genutzt wird, und wie Tiere, je nachdem wie gut ihr Orientierungssinn gerade funktioniert, adäquate Navigationsstrategien wählen.

Unsere Arbeitsgruppe untersucht, wie visuelle Information prozessiert und im zentralen Gehirn repräsentiert wird, um damit einen stabilen Richtungssinn zu generieren. Des Weiteren testen wir, wie unterschiedliche Orientierungsreize kombiniert werden, und wie verschiedene sensorische Signale zur Wahl unterschiedlicher Navigationsstrategien beitragen. Außerdem erforschen wir wie strukturelle Anpassungen des Nervensystems zu einem verbesserten Orientierungssinn beitragen können.
 

Wir nutzten zwei Modellorganismen mit unterschiedlichen experimentellen Stärken
In Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) können wir genetische Werkzeuge und bereits etablierte Methoden zum Calcium-imaging nutzen, um gezielt neuronale Aktivität zu messen und zu beeinflussen. Wüstenameisen (Cataglyphis nodus) haben dagegen exquisite Navigationsfähigkeiten, welche im Feld detailliert beschrieben wurden. Wir vergleichen diese zwei Modelle über verschiedene Achsen: die anatomische Struktur des Nervensystems, das Verhalten und, zu einen späteren Zeitpunkt, die Neurophysiologie.
        

Den Zusammenhang von neuronaler Aktivität und Verhalten verstehen
Unser Ziel ist es zu verstehen, wie das Nervensystem Verhalten steuert. Dazu kombinieren wir verschieden experimentelle Techniken:

• Immersive virtuelle Realität (VR) zur Simulation von natürlichen Umgebungen im Labor
• In-vivo Multiphotonenmikroskopie um mittels Calcium-Imaging neuronale Aktivität in sich verhaltenden Tieren (in VR) zu messen
• Hochauflösende volumetrische Elektronenmikroskopie für Connectomics-Studien

Link zu externer Webseite

• Wie wird ein komplexes, dynamisches visuelles Umfeld im zentralen Gehirn repräsentiert, und wie wirkt sich das auf die Zuverlässigkeit des Richtungssinns aus?
   
• Wie werden verschiedene Reize zu einem kohärenten und robusten Richtungssinn integriert?
   
• Unter welchen (sensorischen) Bedingungen werden welche Navigationsstrategien bevorzugt ausgeführt?
   
• Anpassung von neuronalen Schaltkreisen durch strukturelle Plastizität und Konsequenzen für den Orientierungssinn.