Kapitel 34: Neurogenetik

34.5.5.1 Lernmutanten bei Drosophila

Seit den bahnbrechenden Arbeiten von Karl von Frisch mit Bienen ist bekannt, daß auch Insekten, obwohl ihr Leben bei oberflächlicher Betrachtung von zwanghaften Reflexen dominiert zu sein scheint, über Lernvermögen verfügen. Drosophila kann sich hierin zwar kaum mit der Biene messen, aber es sind sowohl Habituation und Sensibilisierung als auch klassische und operante Konditionierung nachgewiesen.

Es waren S. Benzer und Mitarbeiter, die als erste Lernmutanten isolierten. Hierzu wandelten sie eine Apparatur zur Messung der schnellen phototaktischen Reaktion leicht ab (Abb. 34-74). Es wurde die Tendenz der Fliegen gemessen, sich ausgehend von einem Startgläschen (S) in eines von 5 Zielgläschen (1-5) zu begeben. Die Zielgläschen 2 und 3, in denen das Training stattfindet, enthalten je einen Duftstoff (A oder B), Gleiches gilt für die Testgläschen 4 und 5. Die Duftkonzentrationen sind so abgeglichen, daß A und B für naive Fliegen etwa gleich attraktiv sind. Zusammen mit entweder dem Duftstoff A oder dem Duftstoff B erhalten die Fliegen im Training Elektroschocks als Bestrafungsreiz. Das Training kann mehrmals wiederholt werden. Ob die Fliegen den Bestrafungsreiz mit dem gleichzeitig gebotenen Duftstoff assoziiert haben, wird nach einer festgelegten Zeit getestet. Ein Testzyklus entspricht hierbei einem Trainingszyklus, es werden nur in beiden Testgläschen keine Elektroschocks verabreicht. Es zeigt sich, daß wildtypische Fliegen im Test noch nach Stunden den Duftstoff meiden, der im Training mit dem Bestrafungsreiz gekoppelt war (z.B. 70% zu 30%). Bei einer zweiten Fliegenpopulation wird der Elektroschock in der Trainingsphase mit dem alternativen Duftstoff assoziiert. Hier können sich im Test dann z.B. die Verteilungen 40% zu 60% ergeben. Aus beiden Gruppen kann der Lernindex L als die mittlere Differenz zwischen dem Anteil der Fliegen, die den bestraften Duftstoff vermeiden, und dem Anteil der Fliegen, die den Kontrollduft meiden, berechnet werden. Mit den Beispielzahlen ergäbe sich L = (0,7-0,3+0,6-0,4)/2 = 0,3. L = 1 würde bedeuten, daß alle Tiere das gelernte Verhalten zeigen.

Um echte Lernmutanten von z.B. schlechten Riechern zu unterscheiden, wurde auch das spontane Duftpräferenzverhalten untersucht. Einige echte Lernmutanten wurden selektiert, von denen inzwischen drei besonders gut charakterisiert sind. Es handelt sich um die dunce (dnc)-, die rutabaga (rut)- und die amnesiac (amn)-Mutanten. In Abb. 34-75 ist deren Lernvermögen in einer verbesserten Lernapparatur (die mit Futterbelohnung anstelle von Bestrafung arbeitet) im Vergleich zum Verhalten wildtypischer Fliegen als Funktion der Zeit aufgetragen, die seit dem Training verstrichen ist. Es zeigt sich, daß alle drei Mutanten bereits sofort nach dem Training reduziertes Lernverhalten zeigen, dies gilt besonders für rutabaga und dunce. Darüber hinaus fällt der Lernindex in der ersten halben Stunde sehr schnell ab, was als Störung des Kurzzeitgedächtnisses interpretiert werden muß. Alle drei Mutanten zeigen auf erniedrigtem Niveau eine gute Persistenz des Langzeitgedächtnisses.

Überraschenderweise stellte sich heraus, daß der cAMP-Stoffwechsel der dnc- und rut-Mutanten von Drosophila gestört ist. dunce codiert für eine Phosphodiesterase, die cAMP in 5'-AMP spaltet, und rutabaga ist das Strukturgen für eine Ca2+/Calmodulin-abhängige Adenylatcyclase, die cAMP aus ATP herstellt. Diese Entdeckungen wurden als sensationeller Durchbruch empfunden, da zellbiologische und physiologische Studien bereits die Beteiligung des cAMP-Stoffwechsels an elementaren Lernprozessen in der Meeresschnecke Aplysia nahe gelegt hatten.

Die Verteilung der dunce-mRNA und des Dunce-Proteins im Gehirn ist sehr aufschlußreich: Obwohl das dunce-Genprodukt ubiquitär zu finden ist, ist die dunce-mRNA im zellulären Cortex und das Dunce-Protein im Neuropil der sogenannten Pilzkörper jeweils stark angereichert.

Eine wichtige, an der Verarbeitung olfaktorischer Information beteiligte Gehirnstruktur der Insekten ist der Pilzkörper (engl. mushroom bodies), der olfaktorische Information erhält, aber keinen direkten Zugang zur Motorik hat. Die Pilzkörper scheinen für die Assoziation olfaktorischer Information mit dem Erfolg von Verhalten zuständig zu sein, eine Fähigkeit, die sich auch in ihrer außergewöhnlichen strukturellen Plastizität widerspiegelt. Die Pilzkörper sind zentral gelegene, paarige und sehr auffällige Strukturen im Gehirn der meisten Arthropoden. Aufgrund ihrer auffälligen Struktur wurden sie bereits Mitte des 19. Jahrhunderts von F. Dujardin (1850) beschrieben und als der Sitz der Insektenintelligenz angesehen. Experimentelle Arbeiten an Bienen und Fliegen haben in neuerer Zeit in den Pilzkörpern tatsächlich Lernvermögen lokalisiert. Die Neurobiologen Erber, Masuhr und Menzel (1980) konnten zeigen, daß die Kühlung der Pilzkörper, aber nicht die Kühlung anderer Gehirnbereiche, das Kurzzeitgedächtnis von Bienen bei der Konditionierung des Rüsselausstreckreflexes auf Duftstoffe blockiert (der unbedingte Reiz ist hier die Reizung der Tarsen mit Zuckerwasser). Dieser Effekt ist reversibel. Wenn die Kühlung aufgehoben wurde, konnten die Bienen wieder lernen.

Für die Beteiligung der Pilzkörper an Lernprozessen sprechen auch die von M. Heisenberg und Mitarbeitern isolierten Mutanten der Pilzkörperstruktur mushroom bodies deranged (mbd) und mushroom body miniature (mbm). Heisenberg und Mitarbeiter benützten für die Untersuchung des Lernverhaltens der Mutanten eine Vielzahl von olfaktorischen Lernparadigmen. Besonders wichtig: Der Geruchssinn der Mutanten mbd und mbm ist nicht gestört. Der Pilzkörperdefekt scheint somit in spezifischer Weise nur die Konditionierbarkeit auf olfaktorische Reize zu beinflussen.

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