Forschung der Arbeitsgruppe Straw
Neuroethologie des Sehens und der Navigation bei Insekten
Die Arbeitsgruppe Straw (AG Straw) interessiert sich für die neuronalen Grundlagen des visuellen Verhaltens und des Navigationsverhaltens bei Insekten sowie für wissenschaftliche Fragen wie die, ob und wie Insekten den Weg nach Hause oder zu einer Futterquelle wiederfinden. Darüber hinaus entwickelt die Gruppe Technologie wie Tracking-Systeme, Arenen für virtuelle Realität und Mikroskope, um die Grenzen dessen zu erweitern, was sich bei sich bewegenden Insekten (und mitunter anderen Tieren) aufzeichnen lässt. In der Regel dient diese Technologieentwicklung dazu, wissenschaftlichen Fragen zu beantworten.
Präzise Navigation bei Honigbienen
Abbildung: Drohnengestütztes Tracking enthüllt eigenwillige Flugwege einzelner Honigbienen, die mit bemerkenswerter Präzision zwischen Stock und Futterplätzen navigieren. (Aus Stentiford, Harrap et al. 2025.)
Honigbienen (Apis mellifera) legen beträchtliche Entfernungen zwischen ihrem Stock und ihren Futterplätzen zurück und können vermutlich Wegintegration und die Nutzung visueller Landmarken auf eine Weise kombinieren, von der angenommen wird, dass sie in einer „kognitiven Karte" gipfelt. Mithilfe eines neuartigen, auf Multicopter-Drohnen basierenden Tracking-Systems erzielte die AG Straw beispiellos hochaufgelöste, dreidimensionale Messungen einzelner Flugwege in einer strukturierten landwirtschaftlichen Umgebung. Diese Arbeit zeigte, dass einzelne Bienen über aufeinanderfolgende Ausflüge hinweg eigenwillige, jedoch erstaunlich wiederholbare Flugwege aufweisen. Zudem erwies sich die Präzision der Flugwege als umgekehrt proportional zur visuellen Spärlichkeit der Landschaft, und einzelne Tiere verfolgten unterschiedliche Hochpräzisionsstrategien – etwa den Flug zu einem bestimmten Baum oder direkt zu einer Lücke –, was die Verhaltensplastizität verdeutlicht, mit der visuelle Information für die Navigation genutzt wird.
Diese Forschung zeigt den Nutzen hochauflösender Tracking-Technologie für die Aufschlüsselung feinskaliger Verhaltensmechanismen, die die Fortbewegung von Tieren steuern. Laufende und künftige Arbeiten mit computergestützter Modellierung, Experimenten in virtueller Realität und neuronalen Ableitungen zielen darauf ab, die Verhaltens- und neuronalen Schaltkreismechanismen aufzudecken, die diesen bemerkenswert präzisen individuellen Navigationsstrategien zugrunde liegen.
Ausgewählte Publikationen
Wegintegration bei frei laufenden Drosophila
Abbildung: Verlagerungsexperimente zeigen, dass Fliegen zu einem falsch erinnerten Belohnungsort zurückkehren. Dies belegt, dass Fliegen Wegintegration nutzen können, trotz anderer möglicher Störfaktoren wie Pheromonspuren. (Aus Titova et al. 2022.)
Die Fähigkeit mancher Insekten, zu Orten mit Futter zurückzukehren, ist bemerkenswert – insbesondere angesichts der geringen Größe ihres Gehirns. Obwohl die Fliege Drosophila melanogaster eher für ihre Bedeutung als genetischer Modellorganismus bekannt ist als als große Navigatorin, wurde kürzlich entdeckt, dass sie zu einer Futterquelle zurückkehrt, wenn sie in einer merkmalslosen, dunklen Arena läuft – was auf räumliche Gedächtnisfähigkeiten hindeutet, die jenen der berühmten Insektennavigatoren – der Bienen – verwandt sind. Damit besteht nun die Möglichkeit, räumliche Kognition, Gedächtnis und zielgerichtete Bewegung in einer Art zu untersuchen, die seit einem Jahrhundert an der Spitze der genetischen Forschung steht. Belege von evolutionär unterschiedlichen Insekten – von Heuschrecken über Käfer bis hin zu Bienen und Fliegen – legen nahe, dass eine zentrale Hirnregion, der Zentralkomplex, dessen Architektur bei all diesen Tieren viele Merkmale teilt, an der Koordination solcher Navigation beteiligt ist. Die AG Straw charakterisiert die Beteiligung genetisch zugänglicher Neuronen im Zentralkomplex an der Wegintegration bei frei laufenden Drosophila. Darüber hinaus nutzt die Gruppe virtuelle Realität für frei laufende Fliegen, um die Beteiligung von visuellem Gedächtnis und Wegintegration an der Navigation zu prüfen. Durch detailliertes Wissen über die Verhaltensfähigkeiten bei Futtersuche und Navigation in Drosophila – einem äußerst gut untersuchten genetischen Modellorganismus – würde diese Arbeit dazu beitragen, diese wichtigen Verhaltensweisen im Kontext der relevanten neuronalen Schaltkreise diskutieren zu können. Angesichts neuerer molekularer Daten, die zeigen, dass Muster der entwicklungsbedingten Expression wichtiger Transkriptionsfaktoren bei der Strukturierung des Zentralkomplexes der Insekten und der Basalganglien der Säugetiere konserviert zu sein scheinen, könnte diese Arbeit sogar für das Verständnis der neuronalen Steuerung von Navigation über bilaterische Tiere hinweg von Bedeutung sein.
Ausgewählte Publikationen
Neuronale Schaltkreise des Sehens bei Drosophila
Abbildung: Genetische Fortschritte wie die Vienna-Tiles-GAL4-Bibliothek ermöglichen die gezielte Expression bestimmter Moleküle in definierten Neuronen. In Kombination mit Experimenten in virtueller Realität entschlüsselt die AG Straw die Mechanismen und den Zweck des Fliegenauges.
Das visuelle System von Drosophila ist ideal geeignet, um zu untersuchen, wie Nervensysteme Verhalten organisieren. Von leistungsfähigen genetischen Werkzeugen, die präzise Manipulationen einzelner Zelltypen ermöglichen, bis hin zu jahrzehntelanger intensiver Forschung in vielen Laboren sind nur wenige Sinnessysteme besser verstanden oder einer präzisen Manipulation zugänglicher. Dennoch ist das Wissen über das Sehen der Fliege bei Weitem nicht vollständig, obwohl es helfen könnte, das menschliche Sehen zu verstehen oder bessere Roboter zu bauen. Ein Bereich von besonderem Interesse für die AG Straw ist die Frage, wie visuelle Schaltkreise natürliches Verhalten hervorbringen. Während viele Labore die Aktivität visueller Neuronen in fixierten Tieren aufzeichnen, lassen die Ergebnisse dieser leistungsfähigen, aber reduktionistischen Experimente keine ohne Weiteres mögliche Übertragung auf das Verständnis des Flug- oder Laufverhaltens frei beweglicher Tiere zu. Die AG Straw hat beispielsweise gezeigt, dass Kopfbewegungen ein wesentlicher Bestandteil des freien Fluges bei Fliegen sind, für eine gute Leistung in einem Versuch mit fixiertem Flug jedoch entbehrlich sind (Stowers et al. 2017).
Abbildung: Indem die Gruppe die visuelle Rückkopplung für frei fliegende Fliegen verändert, kann sie die Fliegen beliebigen Flugbahnen folgen lassen. Das erlaubt die Aufzeichnung extrem langer Flugbahnen in einem begrenzten Versuchsraum und die Quantifizierung mehrerer Aspekte der sensomotorischen Leistung.
Ausgewählte Publikationen
Tracking-Technologie
Gemeinsam mit Kolleg:innen entwickelte Andrew Straw eines der ersten kamerabasierten Insekten-Tracking-Systeme, das mit drei oder mehr Kameras die Position eines Tieres in 3D mit geringer Latenz verfolgen kann (Straw et al. 2010). Live-Tracking ermöglicht mehrere Arten von Experimenten, die sonst nicht möglich sind. Erstens wird perspektivisch korrekte virtuelle Realität möglich, was die Gruppe an Fliegen, Fischen und Mäusen demonstrierte (Stowers et al. 2017). Zweitens wird optogenetische Stimulation in Echtzeit auf Basis computergesteuerter Verhaltensrückkopplung ermöglicht (Bath et al. 2014). Drittens wird der Aufwand, stundenlange Verhaltensdaten zu erfassen und zu speichern, verringert, weil statt Rohvideo bereits verarbeitete Daten gespeichert werden (Straw et al. 2022, Segre et al. 2016). Diese Tracking-Technologie wird in der AG Straw als quelloffenes System namens Braid weiterhin aktiv entwickelt. Darüber hinaus bildet sie ein zentrales Element des Forschungsinstrumentariums der AG Straw, eine Grundlage für die Zusammenarbeit mit anderen (z. B. Dakin et al. 2018), und diese oder verwandte Software wird auch von anderen Laboren genutzt.
Ausgewählte Publikationen
Bewegte Kameras
Eine Kamera einem Tier folgen zu lassen, erlaubt es, physikalisch bedingte Hürden für hochwertige Bildgebung zu überwinden. Ein Zielkonflikt zwischen hoher räumlicher Auflösung und der Größe des Aufnahmeraums begrenzt Aufnahmen mit stationären Kameras grundlegend. Zudem kann Bewegungsunschärfe, die durch die Relativbewegung von Tier und Sensor entsteht, in photonenlimitierten Szenarien ein Problem sein – und solche Szenarien sind häufig. Daher arbeitet Andrew Straw seit der Gründung der Arbeitsgruppe daran, Computer Vision mit der Ansteuerung von Motoren zu verbinden, um Tiere mit Kameras aktiv zu verfolgen.
Ausgewählte Publikationen
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