Neuronale Netzwerke des Zentralkomplexes und ein räumliches Arbeitsgedächtnis von Drosophila melanogaster

Zielgerichtete Orientierung ermöglicht es Lebewesen, überlebenswichtige Aufgaben, wie die Suche nach Ressourcen, Fortpflanzungspartnern und sicheren Plätzen zu bewältigen. Dafür ist es essentiell, die Umgebung sensorisch wahrzunehmen, frühere Erfahrungen zu speichern und wiederabzurufen und diese Informationen zu integrieren und in motorische Aktionen umzusetzen.rnWelche Neuronengruppen vermitteln zielgerichtete Orientierung im Gehirn einer Fliege? Welche sensorischen Informationen sind in einem gegebenen Kontext relevant und wie werden diese Informationen sowie gespeichertes Vorwissen in motorische Aktionen übersetzt? Wo findet im Gehirn der Übergang von der sensorischen Verarbeitung zur motorischen Kontrolle statt? rnDer Zentralkomplex, ein Verbund von vier Neuropilen des Zentralhirns von Drosophila melanogaster, fungiert als Übergang zwischen in den optischen Loben vorverarbeiteten visuellen Informationen und prämotorischem Ausgang. Die Neuropile sind die Protocerebralbrücke, der Fächerförmige Körper, der Ellipsoidkörper und die Noduli. rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Fruchtfliegen ein räumliches Arbeitsgedächtnis besitzen. Dieses Gedächtnis kann aktuelle visuelle Information ersetzen, wenn die Sicht auf das Zielobjekt verloren geht. Dies erfordert die sensorische Wahrnehmung von Zielobjekten, die Speicherung der Position, die kontinuierliche Integration von Eigen-und Objektposition, sowie die Umsetzung der sensorischen Information in zielgerichtete Bewegung. Durch konditionale Expression von Tetanus Toxin mittels des GAL4/UAS/GAL80ts Systems konnte gezeigt werden, dass die Ringneurone, welche in den Ellipsoidkörper projizieren, für das Orientierungsgedächtnis notwendig sind. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Fliegen, denen die ribosomale Serinkinase S6KII fehlt, die Richtung verlieren, sobald keine Objekte mehr sichtbar sind und, dass die partielle Rettung dieser Kinase ausschließlich in den Ringneuronenklassen R3 und R4d hinreichend ist, um das Gedächtnis wieder herzustellen. Bei dieser Gedächtnisleistung scheint es sich um eine idiothetische Form der Orientierung zu handeln. rn Während das räumliche Arbeitsgedächtnis nach Verschwinden von Objekten relevant ist, wurde in der vorliegende Arbeit auch die Vermittlung zielgerichteter Bewegung auf sichtbare Objekte untersucht. Dabei wurde die zentrale Frage bearbeitet, welche Neuronengruppen visuelle Orientierung vermitteln. Anhand von Gehirnstrukturmutanten konnte gezeigt werden, dass eine intakte Protocerebralbrücke notwendig ist, um Laufgeschwindigkeit, Laufaktivität und Zielgenauigkeit bei der Ansteuerung visueller Stimuli korrekt zu vermitteln. Dabei scheint das Horizontale Fasersystem, welches von der Protocerebralbrücke über den Fächerförmigen Körper auf den Zentralkomplex assoziierte Neuropile, die Ventralkörper, projiziert, notwendig für die lokomotorische Kontrolle und die zielgenaue Bewegung zu sein. Letzeres konnte zum einen durch Blockade der synaptischen Transmission anhand konditionaler Tetanus Toxin Expression mittels des GAL4/UAS/GAL80ts Systems im Horizontalen Fasersystem gezeigt werden;. zum anderen auch durch partielle Rettung der in den Strukturmutanten betroffenen Gene. rn Den aktuellen Ergebnissen und früheren Studien folgend, ergibt sich dabei ein Modell, wie zielgerichtete Bewegung auf visuelle Stimuli neuronal vermittelt werden könnte. Nach diesem Modell bildet die Protocerebralbrücke die Azimuthpositionen von Objekten ab und das Horizontale Fasersystem vermittelt die entsprechende lokomotorische Wo-Information für zielgerichtete Bewegungen. Die Eigenposition in Relation zum Zielobjekt wird über die Ringneurone und den Ellipsoidkörper vermittelt. Wenn das Objekt aus der Sicht verschwindet, kann die Relativposition ideothetisch ermittelt werden und integriert werden mit Vorinformation über das Zielobjekt, die im Fächerförmigen Körper abgelegt ist (Was-Information). Die resultierenden Informationen könnten dann über das Horizontale Fasersystem in den Ventralkörpern auf absteigende Neurone gelangen und in den Thorax zu den motorischen Zentren weitergeleitet werden.rnGoal-directed orientation enables animals to cope with vital tasks, like retrieval of ressources, mating partners and safe spots. For that, it is essential to discern the environment sensorially, to store and recall former experiences and to integrate these informations into motor actions.rnWhich groups of neurons in the brain of the fruit fly mediate goal-directed orientation? Which sensory informations are relevant in a given context and how are these informations translated into motor actions? Where in the brain is the sensory information and stored information integrated into motor control commands?rnThe central complex, a compound of four central brain neuropils in Drosophila melanogaster, acts as interface between visual processing and motor control output. The neuropils are the protocerebral bridge, the fan-shaped body, the ellipsoid body and the noduli.rnThis study shows that fruit flies posses a spatial visual working memory. This memory can replace acute visual information when the sight onto the target is lost. For that, fruit flies must be able to sense targets, to store the position of these visual objects, to continously integrate the own and the object position and to translate the sensory information into goal-directed movements. By the use of conditional expression of tetanus toxin via the GAL4/UAS/GAL80ts system, it is shown here, that the ring neurons, which project into the ellipsoid body, are necessary for the spatial working memory. Furthermore, it is shown that flies null-mutant for the ribosomal serin kinase S6KII are losing their goal-directed orientation, as soon as the target disappears. Partial rescue of S6KII solely in a distinct subset of ring neurons, R3 and R4d, is sufficient to restore the memory in an otherwise mutant animal. This working memory seems to be based on idiothetic orientation.rnWhile the working memory becomes relevant to the fly after the disappearance of target objects, this study also deals with goal-directed locomotion towards visible objects. The focus was on the question, which central brain neurons are necessary for visual fixation. By the use of structural central brain mutants it has been shown, that the protocerebral bridge is necessary to enhance walking speed, walking activity and to bring about goal-directed orientation towards visual stimuli. In particular the horizontal fiber system, which projects from the protocerebral bridge to the fan-shaped body and terminates outside the central complex in the ventral bodies, seems to be necessary for locomotor control and goal-directed movements in walking flies. This has been shown by blocking synaptic transmission within theses neurons using conditional expression of tetanus toxin via the GAL4/UAS/GAL80ts system and by partial rescue experiments in the brain-structure mutants.rn Based on the current results and earlier studies, a model is proposed of how goal-directed locomotion of the fruit fly towards visual objects is mediated neuronally. According to the model, the protocerebral bridge holds a representation of the azimuthal positions of objects and the horizontal fiber system encodes the where-information for goal-directed movements. The animals own position in relation to a target object is mediated by the ring neurons and the ellipsoid body. If the object disappears from sight the own relative position can be retrieved ideothetically, and integrated with previous experience with the object stored in the fan-shaped body (what-information). The resulting information is then transmitted via the horizontal fiber system onto descending neurons via the ventral bodies to the motor centers in the ventral ganglionr