IMP Wien: Gehirnaktivität des Fadenwurms entschlüsselt

Ein Team um den Biochemiker Manuel Zimmer am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien liefert neue Erkenntnisse zur Gehirnaktivität des Fadenswurms Caenorhabditis elegans. Aus der Aktivität einzelner Neuronengruppen, die aufeinander abgestimmt agieren, konnten Zimmer und sein Team eindeutig die Verhaltensabsichten des Tieres ablesen.

Gehirnaktivität Fadenwurm

Das Bild zeigt den Kopf eines Fadenwurms, dessen Nervenzellen genetisch modifiziert wurden, sodass sie unter dem Mikroskop leuchten. | Foto: Research Institute of Molecular Pathology (IMP)

Die Forscher stellten fest, dass die über das Gehirn verteilten, als Netzwerk organisierten Nervenzellen zwar verschiedene Funktionen ausführen, aber im Kollektiv aktiv sind. 

Neuronengruppen agieren als Netzwerk 

Bisher hatte sich die Forschung auf die Funktionen einzelner oder weniger Nervenzellen und deren Zusammenspiel konzentriert, um Verhaltensweisen wie etwa Bewegungen zu erklären. Beim untersuchten Fadenwurm war bereits bekannt, wie einzelne Neuronen als isolierte Untereinheiten im Netzwerk funktionieren, jedoch nicht, wie sich diese in Gruppen untereinander koordinieren.

Genau hier stiegen Manuel Zimmer, Gruppenleiter am IMP, und sein Team in die Forschung ein. Um eine schnelle, gleichzeitige Messung der verschiedenen Gehirnareale zu ermöglichen, kamen einerseits moderne 3D-Mikroskopiemethoden zum Einsatz. Andererseits wendete Zimmer für seine Versuche mit Würmern Kalziumsensoren an, die bei Aktivität leuchten. 

Würmer beim Denken beobachtet

Das IMP-Team testete die Reaktion der Tiere auf Nahrungsentzug und setzte diese daraufhin bestimmten Reizen von außen aus. Unter dem Mikroskop konnte festgestellt werden, dass ein Großteil der über das ganze Gehirn verteilten Neuronen stetig aktiv bleibt und sich koordiniert. Postdoktorand Saul Kato hatte gemeinsam mit dem Doktoranden Harris Kaplan und der Doktorandin Tina Schrödel die Arbeit des Teams maßgeblich vorangetrieben. Er vergleicht das Zusammenspiel der Nervenzellen mit dem eines Ensembles. Die Tiere konnten sich bei diesen Versuchen nicht bewegen, ihre Reaktionen waren somit reine Gedankenspiele. 

Neuronale Verhaltensabläufe analysiert

Anhand einer anderen Mikorskopie-Technik, entwickelt für frei bewegliche Würmer, fanden die Forscher heraus, welche Neuronen die Kommandos zur Ausführung einzelner Verhaltensabläufe erteilen. Zwischen bestimmten Netzwerkaktivitäten und dem Impuls für Bewegungen sahen sie eindeutige Zusammenhänge und konnten den Tieren somit beim Denken zusehen. Nicht nur kurze Bewegungen, sondern auch wie diese im Gehirn wie beispielsweise bei der Futtersuche zu längeren Verhaltensstrategien zusammengefügt werden, konnten so erstmalig analysiert werden. Zimmer und sein Team sind überzeugt, dass im Fadenwurm – obwohl nur sehr entfernt verwandt mit den Säugetieren – grundlegende Prinzipien der Gehirnfunktion präzise beschrieben werden können.

Originalpublikation:Kato et al., Global Brain Dynamics Embed the Motor Command Sequence of Caenorhabditis elegans, Cell (2015), dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.034, Quelle: IMP Wien