Temperatur während Entwicklung beeinflusst Vernetzung von Nervenzellen und Verhalten bei Fruchtfliegen
Gehirn von Drosophila melanogaster weist mehr Synapsen und mehr postsynaptische Verbindungen auf, wenn Umgebungstemperatur während Verpuppung niedriger war.
Bei der Fruchtfliege beeinflusst die Umgebungstemperatur die Konnektivität des Gehirns mit Auswirkungen auf das Verhalten. (Abb./©: Carlotta Martelli)
Beteiligtes Bernstein Mitglied: Carlotta Martelli
Bei wechselwarmen Tieren wie Insekten, Fischen oder Reptilien wird das Tempo ihrer Entwicklung von der Temperatur bestimmt. Ein Forschungsteam an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun am Beispiel der Fruchtfliege gezeigt, wie die Umgebungstemperatur die Gehirnentwicklung beeinflusst. „Die Neuronen haben im untersuchten Hirnareal bei einer tieferen Temperatur mehr Synapsen gebildet und sich über die Synapsen mit mehr Partnern verknüpft“, erklärt Dr. Carlotta Martelli, Leiterin des Teams am Institut für Entwicklungsbiologie und Neurobiologie der JGU. Untersucht wurde das Geruchssystem von Drosophila melanogaster. Bei den Fliegen steuert der Geruchssinn wichtige Verhaltensweisen und ist entscheidend für ihr Überleben. Es zeigte sich, dass die Temperatur, der die Insekten während des Puppenstadiums ausgesetzt sind, nicht nur die Gehirnentwicklung beeinflusst, sondern auch das geruchsgesteuerte Verhalten.
Metabolische Theorie der Gehirnentwicklung bei unterschiedlichen Temperaturen
Die Temperatur ist der Umweltfaktor mit den größten Auswirkungen auf die Biologie von Lebewesen, weil die Temperatur das Tempo aller biophysikalischen Reaktionen beeinflusst. Zum einen verläuft die Entwicklung bei höheren Temperaturen schneller, zum anderen wirkt sich die Temperatur aber auch auf das Verhalten von Tieren aus. Bei Bienen beispielsweise werden die für das Lernen zuständigen Gehirnbereiche schon durch kleine Schwankungen in der Umgebungstemperatur beeinflusst. Die Zusammenhänge zwischen Temperatur und Entwicklung sind wichtig, um die Folgen von Temperaturveränderungen auf das Verhalten von Tieren in der freien Natur vorherzusagen, aber auch um besser zu verstehen, wie die Entwicklung wechselwarmer Tiere verläuft.
Bei Drosophila wurde vor einigen Jahren festgestellt, dass die Anzahl der Synapsen zwischen Neuronen im visuellen System zunimmt, wenn die Temperatur während der Entwicklung der Insekten niedriger ist. Die Forschungsgruppe um Dr. Carlotta Martelli hat nun das Geruchssystem der Fruchtfliege unter die Lupe genommen und die Auswirkungen untersucht, die unterschiedliche Temperaturen haben. Fruchtfliegen wurden dazu während der Verpuppung – also dem Stadium zwischen Larve und geschlüpftem, erwachsenem Insekt, wenn sich das Gehirn verschaltet – bei 18 Grad Celsius beziehungsweise 25 Grad Celsius gehalten. Um die synaptischen Partner eines bestimmten Neuronentyps in der adulten Fliege aufzuspüren, nutzt das Team genetische Hilfsmittel. Eine Auszählung ergab, dass die Tiere, die sich bei 18 Grad Celsius entwickelten, mehr als doppelt so viele postsynaptische Nervenzellen aufwiesen wie die Tiere, die sich bei 25 Grad Celsius entwickelten. Häufigere Verknüpfungen waren auf jeder Stufe der Geruchsverarbeitung im Hirn der Insekten zu finden.
„Um diese Ergebnisse zu erklären, haben wir eine Theorie entwickelt, die annimmt, dass für das Wachstum des gesamten Insektenkörpers und für das Gehirnwachstum leicht unterschiedliche metabolische Bedingungen existieren“, erklärt Martelli, die in ihrer Forschungsarbeit theoretische Physik und Neurobiologie verbindet. Der Stoffwechsel verläuft demnach in Nervenzellen etwas anders im Vergleich zu anderen Körperzellen. Dabei gingen Martelli und ihr Team davon aus, dass der Stoffwechsel bei niedrigeren Temperaturen im Gehirn schneller verläuft als im restlichen Körper. „Diese theoretischen Annahmen konnten wir in weiteren Experimenten bestätigen“, so Martelli. Derzeit fehlt ein direkter Nachweis der Rolle des Stoffwechsels. Die Forschenden suchen nach einer Antwort, indem sie das Ausmaß der Expression relevanter Gene während der Entwicklung untersuchen.
Entwicklungstemperatur beeinflusst auch das Verhalten
Wie weiterhin festgestellt wurde, beeinflusst die Temperaturabsenkung während des Puppenstadiums das geruchsgesteuerte Verhalten bei erwachsenen Insekten. Fliegen im Alter von zehn Tagen wurden dazu einer winzigen Menge Butanon ausgesetzt, einer Flüssigkeit mit einem scharfen Geruch, der Fliegen anzieht. Im Durchschnitt zeigten Fruchtfliegen, die das Puppenstadium bei 18 Grad Celsius durchlebt hatten, in der Folge eine stärkere Anziehung zu diesem Geruch als Fliegen, die als Puppe bei 25 Grad Celsius gehalten worden waren.
„Obwohl Fliegen, die sich bei niedrigeren Temperaturen entwickelt haben, stärker vernetzte Gehirne haben, riechen sie nicht besser oder stärker“, so Martelli. „Messungen der neuronalen Aktivität zeigen, dass die Geruchsrepräsentationen in einem Hirnareal, das dem menschlichen Riechkolben entspricht, unverändert sind. Stattdessen kommen wir zu dem Schluss, dass die Verhaltensänderungen wahrscheinlich auf die Konnektivität in höheren Gehirnbereichen zurückzuführen sind, die das angeborene Verhalten steuern“, fasst Martelli zusammen.
Die Arbeit wurde mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Forschungsgruppe 5289 „Von Impräzision zu Robustheit in der Assemblierung Neuronaler Schaltkreise“ und durch das Institute for Quantitative and Computational Biosciences (IQCB), das Anfang 2024 an der JGU eingerichtet wurde, unterstützt und im Wissenschaftsjournal Science Advances veröffentlicht.
