Visuo-motor responses to rotation and translation in freely flying Drosophila melanogaster

Wahrend ihres Fluges benutzt Drosophila melanogaster visuelle Hinweise zur Stabilisierung und Orientierung. Die beabsichtigte Eigenbewegung, externe Storungen im Bewegungsfluss und bewegte Objekte tragen alle zum dynamischen Leuchtdichtemuster auf der Retina bei. Dieser sogenannte optische Fluss ist ein Panoramasignal, das vom Gehirn verarbeitet werden kann, um letztendlich zum fur die Navigation passenden visuomotorischen Verhalten zu fuhren. Theoretisch kann das globale Muster eines optischen Flusses in Rotations- und Translationskomponenten getrennt werden. Bei kleinen Sichtfeldern lassen sich aber Rotations- und Translationskomponenten nicht immer eindeutig unterscheiden. Zum Beispiel, kann eine links von der linken Retina wahrgenommene Bewegung entweder durch eine Vorwartstranslation oder durch eine Rechtsdrehung entstehen. Da die Bewegungswahrnehmung bei Fliegen durch lokale Berechnungen im recht gut beschriebenen, retinotopen Bewegungsverarbeitungsnetz entsteht, erwarten wir uns nicht, dass diese Bewegungen auf einer so kleinen Skala unterschieden werden konnen. Infolgedessen haben wir uns gefragt, ob Rotation und Translation im Gehirn der Drosophila melanogaster unterschieden werden. Erstens: Fuhren Rotation und Translation zu gleichen oder verschiedenen Verhaltensantworten? Zweitens: Werden diese zwei optischen Flusskomponenten vom selben Neuronennetz analysiert oder existieren spezialisierte Netze fur jede der Komponenten? Wir benutzen selbst entworfene Virtual Reality Arenen, in denen die frei fliegenden Fliegen in einem geschlossenen Regelkreis mit dem Stimulus sind. Die Position der Fliege wird von Kameras verfolgt und benutzt, um ein genau definiertes, an die Position der Fliege angepasstes Punktemuster (“Sternenfeld”) als Stimulus anzuzeigen. Indem wir diesem Sternenfeld eine Rotations- oder Translationsbewegung hinzufugen, konnen wir die visuomotorische Reaktion der Fliegen beobachten und vergleichsweise analysieren. Unter anderem beobachten wir, dass Drosophila melanogaster weniger Sakkaden (abrupte Wenden) bei einem Rotationstimulus als bei einem Translations- oder Kontrollstimulus macht. Dies ist ein erster Hinweis auf die Verwendung unterschiedlicher Neuronennetze. Wir fuhren eine genetische Analyse durch, bei der wir visuelle Neuronenkandidaten blockieren. Interessanterweise haben wir Neuronen gefunden, die an der Verarbeitung nur einer der beiden optischen Flusskomponenten beteiligt sind, oder an beiden, aber auf unterschiedliche Weise. Die Blockade anderer Neuronen, zum Beispiel der T4/T5 Neuronen, fuhrte zu einer Senkung der visuomotorischen Antwort fur Rotation und Translation. Unsere Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Elemente fur die Verarbeitung von Rotation und Translation existieren. Wahrend dieser Untersuchung beobachten wir auch einen feinen Unterschied in der visuomotorischen Antwort der Drosophila melanogaster, wenn dem Stimulus eine Ruckkopplungsschleife hinzugefugt wird: ein Bahnregler verbessert die Verhaltensantwort.