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Verschiedene Mikroskopietechniken kamen zum Einsatz © Franka Rothaug
Verschiedene Mikroskopietechniken kamen zum Einsatz © Franka Rothaug

APA

Wie Fadenwürmer ihre Bewegungen auf mehreren Ebenen organisieren

27.11.2019

Um komplexere Handlungen meistern zu können, braucht es die Fähigkeit, einzelne Tätigkeiten sinnvoll aufeinander abzustimmen. Dazu müssen diese in eine hierarchische Abfolge gebracht und zeitlich koordiniert erledigt werden. Wie das im mit nur 302 Nervenzellen recht schlanken Nervensystem des Fadenwurms (C. elegans) bewerkstelligt wird, zeigen nun Forscher aus Wien im Fachjournal "Neuron".

Verhaltensforscher haben schon seit den 1940er-Jahren systematisch beschrieben, wie komplexe Verhaltensweisen wie die Paarung in einzelne Schritte unterteilt werden. Ob und in welcher Form sich jedoch die notwendige Handlungshierarchie auch anhand der Aktivitäten von Neuronen widerspiegelt, sei noch nicht hinreichend geklärt, heißt es in einer Aussendung der Universität Wien. Das Team um den Neurowissenschafter Manuel Zimmer von der Uni Wien und dem Institut für Molekulare Pathologie (IMP) ist der Organisation von Verhalten nachgegangen, indem es den in der Wissenschaft aufgrund ihres einfachen Aufbaus beliebten kleinen Würmern beim Bewegen zugesehen hat.

Mit Hilfe verschiedener Mikroskopietechniken ließ sich deren Nervenaktivität in Echtzeit aufzeichnen. So können die Wissenschafter ablesen, welche Neuronen wann und wie lange aktiv sind, wenn sich die Würmer längerfristig vorwärts oder rückwärts bewegten, kurz den Kopf schüttelten oder sich drehten. "Neu an unserer Studie ist, dass wir uns diese Aktivitätsmuster auf allen Ebenen und über alle Zeitskalen hinweg gleichzeitig angesehen haben", sagte Zimmer zur APA. In zusätzlichen Experimenten konnten die Forscher zudem zeigen, wie die Muster im Detail voneinander abhängen. Man könne die Arbeit daher als "eine Pionierstudie" bezeichnen, deren Erkenntnisse nicht nur in Bezug auf den Fadenwurm interessant seien.

Längerfristig anhaltende Erregungsmuster beobachtet

Kroch C. elegans über mehrere Sekunden hinweg vor- oder rückwärts beobachtete das Team auch längerfristig anhaltende Erregungsmuster, die viele Neuronen im Gehirn sowie in den die Bewegungen ausführenden Bereichen (Motorneuronen) umfassten. Damit es vorankommt, macht das Tier wellenartige Bewegungen ungefähr im Sekundenrhythmus. Dieses schnellere Muster ließ sich wiederum in den motorischen Bereichen des Nervensystems ablesen, ohne dass sich am übergeordneten Grundmuster viel änderte. Bewegte ein Wurm während dem Kriechen zusätzlich auch noch rasch den Kopf, veränderten sich auch die raschen Muster in dafür spezifischen Motorneuronen.

Die Wissenschafter konnten also den hierarchisch aufgebauten Bewegungen erstmals auch entsprechende Aktivitätsmuster im Nervensystem zuordnen. "Wir finden also im gesamten Nervensystem verteilte Neuronen, die die langsamen Zeitskalen darstellen. Die kontrollieren dann wieder andere Neuronen die zusätzlich nochmals schneller feuern, und die rascheren Zeitskalen im Verhalten wieder spiegeln", sagte Zimmer.

Daran lasse sich nicht einfach nur ablesen wie sich der Wurm bewegt, man leitet aus den Ergebnissen sozusagen Grundprinzipien ab, nach denen das Gehirn Verhalten organisiert. Hält man sich vor Augen, dass auch die menschliche Sprache mit ihren Silben, Wörtern und Sätzen hierarchisch aufgebaut ist, "könnten dieselben oder ähnliche Prinzipien die Spracherzeugung und das Sprachverständnis im menschlichen Gehirn regeln", so der Wissenschafter.

Service: https://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2019.10.037

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