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 wie auch dem Menschen 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 und wie genau dieser Kompasssinn zur Navigation genutzt wird.

Wir untersuchen, wie das Gehirn sensorische Informationen verarbeitet, um diesen neuronalen Kompass kontinuierlich zu aktualisieren, und welche neuronalen Schaltkreise seine Stabilität in dynamischen Umgebungen gewährleisten. Darüber hinaus erforschen wir, wie der innere Kompass und Umweltinformationen gemeinsam die Wahl unterschiedlicher Navigationsstrategien steuern. Außerdem untersuchen wir, wie sich diese Schaltkreise durch strukturelle Plastizität an verschiedene Umweltbedingungen und im Laufe der Evolution an unterschiedliche Lebensweisen angepasst haben.

Wir nutzten mehreren Insektenarten, die unterschiedlichen experimentellen Stärken mit sich bringen
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 der Gattung Cataglyphis zeigen ein außergewöhnlich präzises und robustes Navigationsverhalten. Sie erlauben uns, Navigationsprozesse sowohl unter kontrollierten Laborbedingungen als auch im natürlichen Lebensraum und damit in einem klar definierten ethologischen Kontext zu untersuchen. Ergänzend erforschen wir dieselben Hirnregionen bei einer blinden, unterirdisch lebenden Ameisenart (Ooceraea biroi). Im Gegensatz zu unseren anderen Modellsystemen orientiert sich diese Art ohne visuelle Informationen. 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?
   
• Charakterisierung sensorischer Signale, die die Wahl unterschiedlicher Navigationsstrategien steuern, etwa der Einfluss von Wellenlänge und Lichtintensität auf das Orientierungsverhalten von Drosophila oder die Bedeutung naher und entfernter visueller Orientierungspunkte für das Ausbreitungsverhalten.
   
• Untersuchung der Nahrungspräferenzen von Cataglyphis nodus unter unterschiedlichen physiologischen Ernährungsbedürfnissen.
   
• Etablierung eines Futterbelohnungs-Assays um das „homing“-Verhalten in VR zu untersuchen.
   
• Rekonstruktion des neuronalen „Kompass“ einer blinden, unterirdisch lebenden Ameise Ooceraea biroi, um zu verstehen, wie ein interner Kompass auch ohne visuelle Informationen an die Umwelt gekoppelt wird.