Wie soziale Erfahrungen das Verhalten prägen
In einer Deutsch-US-amerikanischen Kooperation unter Beteiligung des European Neuroscience Institute Göttingen (ENI-G) haben Forschende gezeigt, dass Fruchtfliegen ihr Sozialverhalten anpassen und aus diesen Erfahrungen lernen können. Diese grundlegenden Mechanismen sozialer Informationsverarbeitung sind auch für das Verständnis psychischer Erkrankungen von Bedeutung. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht. Ein auf diesen Erkenntnissen aufbauendes Folgeprojekt wird vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur und der VolkswagenStiftung mit mehr als 400.000 Euro für zwei Jahre gefördert.
Dr. Frederic Römschied, Gruppenleiter am European Neuroscience Institute Göttingen (ENI-G), vor dem im geförderten Folgeprojekt genutzten Versuchsaufbau. Foto: umg/frank stefan kimmel
Beteiligtes Bernstein Mitglied: Frederic Römschied
Viele Tiere – darunter Säugetiere, Vögel und Insekten – lernen aus sozialen Erfahrungen. Sie passen ihr Verhalten an frühere Interaktionen an und erhöhen so ihre Überlebens- und Fortpflanzungschancen. Wie soziale Erfahrungen das Verhalten prägen, ist bislang nur unzureichend verstanden.
Dr. Frederic Alexander Römschied, Gruppenleiter am European Neuroscience Institute Göttingen (ENI-G) – einer Kooperation der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) und des Max-Planck-Instituts für Multidisziplinäre Naturwissenschaften – hat in Zusammenarbeit mit Forschenden der Princeton University in New Jersey, USA, gezeigt, dass männliche Fruchtfliegen, ähnlich wie Menschen, ihr Verhalten flexibel an veränderte soziale Bedingungen anpassen können. Mit einem neuartigen Verfahren gelang es den Forschenden, das Verhalten interagierender Fliegen, auch entgegen ihrer natürlichen Instinkte, zu steuern. Dazu wurden die Nervenzellen der Fliegen genetisch so verändert, dass sie mittels LED-Licht gezielt angeschaltet werden können. Das Ergebnis: Verhält sich eine Fliege anders als gewohnt, lernt ihr Gegenüber aus dieser Erfahrung und entwickelt neue Verhaltensstrategien, um sich anzupassen.
„Wir können soziale Erfahrungen experimentell umschreiben und anschließend untersuchen, wie sich das Verhalten an diese Erfahrungen anpasst“, sagt Dr. Römschied, Erstautor. „Damit schaffen wir die Grundlage, um zu verstehen, wie individuelle soziale Erlebnisse neuronale Prozesse langfristig beeinflussen, um Lernen aus sozialer Erfahrung zu ermöglichen. Diese Mechanismen sozialer Informationsverarbeitung sind auch für das Verständnis psychischer Erkrankungen von Bedeutung und könnten langfristig dazu beitragen, neue Behandlungsansätze zu entwickeln.“
Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen fördern das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur und die VolkswagenStiftung das Folgeprojekt „ethoLASR: Auf dem Weg zu einer Neuroethologie des Lernens in alternativen sozialen Realitäten“ mit mehr als 400.000 Euro für zwei Jahre. Ziel ist es, die neuronalen Grundlagen für die entdeckte Flexibilität des Sozialverhaltens zu entschlüsseln.
Das optogenetische Closed-Loop-Verfahren
Zur Erforschung der sozialen Interaktionen wurde eine neue Methode, das sogenannte optogenetische Closed-Loop-Verfahren, verwendet. Das Verfahren erlaubt es, das Verhalten genetisch veränderter und frei interagierender Fliegen in Echtzeit zu analysieren und ihre Reaktionen gezielt mit Licht zu beeinflussen. Die Grundlage dafür bildet das maschinelle Lernen, bei dem Computer darauf trainiert werden, aus aufgezeichneten Daten zu lernen, Muster zu erkennen und daraus Schlussfolgerungen abzuleiten. In dieser Studie wird maschinelles Lernen dazu verwendet, die Verhaltensweisen der Fliegen anhand der eingehenden Daten schnell zu erkennen. Dies ermöglicht die gezielte Beeinflussung der Tiere auf Basis ihres aktuellen Verhaltens in Echtzeit.
Konkret wurden Fliegenpaare, je eine männliche und eine weibliche Fliege, bei der Balz untersucht. Männliche Fliegen versuchen dabei durch „Singen“ mit einem ihrer Flügel, das Weibchen zur Paarung zu bewegen. Die Nervenzellen des Weibchens, die für die Rückwärtsbewegung zuständig sind, sogenannte „Moonwalker“-Nervenzellen, wurden mit LED-Licht aktiviert, und zwar jedes Mal, wenn das Männchen sang. Für das Männchen entsteht dadurch eine „alternative soziale Realität“, an die es sich anpassen muss, da sich das Weibchen nicht wie gewohnt bewegt.
Den Ansatz für dieses Verfahren hat Dr. Römschied während seiner Zeit als Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Mala Murthy an der Princeton University in New Jersey, USA, und ebenfalls Letztautorin der Studie entwickelt. In Göttingen wurde das Verfahren zu einem laserbasierten Closed-Loop-System weiterentwickelt, mit dem sich nun mehrere interagierende Tiere unabhängig voneinander beeinflussen lassen. Dies wurde unterstützt durch den Klaus Tschira Boost Fund.
