Neurobiologie und Verhalten der Honigbiene

Wenn Tiere und der Mensch lernen, verändern sich die Verschaltungen der Nervenzellen im Gehirn und speichern damit ein Gedächtnis. Dieses dient der zukünftigen besseren Kontrolle des Verhaltens. Die Schwierigkeit beim Aufsuchen des Gedächtnisses im Geflecht von vielen Tausenden von Neuronen liegt darin, dass die am Lernen beteiligten Neurone während der Gedächtnisbildung nicht direkt beobachtet werden können. Es ist daher vorteilhaft, ein relativ einfaches Nervensystem zu studieren, das dennoch in der Lage ist, schnell zu lernen und ein stabiles Langzeitgedächtnis zu bilden. Wir untersuchen diese Frage an Honigbienen. Bienen lernen Landmarken, um sicher im Gelände zu navigieren, sie assoziieren die Düfte, Farben, Formen und den Ort von Nektar und Pollen produzierenden Blumen; sie lernen voneinander, wenn sie sich mit dem Schwänzeltanz über die Richtung und Entfernung zu ertragreichen Nahrungsquellen oder einer neuen Neststelle informieren. Dabei ist ihr Lernverhalten außerordentlich reichhaltig. Sie generalisieren auf gemeinsame Gestaltmerkmale von visuellen Mustern (z.B. dessen Symmetrie oder Nichtsymmetrie), und sie richten ihre gelernte Entscheidung nach vorher wahrgenommenen Hinweisreizen oder der Situation, in der sie sich befinden. Besonders bedeutsam für uns als Neurowissenschaftler ist, dass Bienen auch unter Bedingungen lernen, unter denen optische und elektrische Registrierungen in ihrem Gehirn durchgeführt werden können. In einer solchen Situation wird ein Duft als Hinweisreiz für eine Zuckerbelohnung verwendet, und das Tier lernt wie bei Pavlov's Hund, die Belohnung nach dem Reiz zu erwarten. Es gelingt auf diese Weise, die Orte der Gedächtnisbildung aufzuspüren und die Veränderungen in der Verschaltung der Neurone zu messen. So finden wir z.B. dass ein als bedeutungsvoll gelernter Duft eine präzisere und stärkere neuronale Repräsentation im Gehirn aufweist. Diese Gedächtnisspur kann auch bis in einzelne, identifizierte Neurone und das Verschaltungsmuster von Neuronen verfolgt werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Schaltelemente aufzuspüren, die in ihrem anpassungsfähigen Muster die Gedächtnisspur im Bienengehirn niederlegen.

Eine Besonderheit des Gedächtnisses ist seine Dynamik, eine Eigenschaft, die das Gedächtnis der Biene mit dem vieler Tiere und des Menschen teilt. So folgt auf den Lernvorgang eine sensible Kurzzeitgedächtnisphase, in der das Gedächtnis leicht änderbar und störbar ist. Im Anschluß daran steuert ein Mittelzeitgedächtnis das Verhalten über einige Stunden nach dem Lernen, und später folgt das stabile Langzeitgedächtnis, das bei Bienen interessanterweise in ein frühes (1 – 2 Tage) und ein spätes (länger als 2 Tage) gegliedert ist. Wir fanden, dass diese Gedächtnisphasen mit bestimmten Reaktionsabläufen von Signalmolekülen in den beteiligen Neuronen zusammenhängen. Schlüsselfunktionen übernehmen bestimmte Enzyme (Proteinkinasen), deren Aktivierung zuerst zur funktionellen Veränderung von bereits vorhandenen Molekülen führt und dann später zur Synthese neuer Proteine und damit wohl neuer Strukturen. Die dabei wirksam werdenden zellulären Reaktionswege sind keineswegs von besonderer Art, vielmehr kommen diese praktisch in allen Körperzellen vor. Sie sind auch nicht spezifisch für die Honigbiene, sondern finden sich in den zellulären Mechanismen der Gedächtnisspur bei anderen Tieren, von Schnecken bis zum Menschen. Der Gedächtnisinhalt wird daher nicht in irgendwelchen besonderen Molekülen gespeichert, sondern ist in dem Muster der durch diese allgemeinen Moleküle verursachten Veränderungen der Verschaltungen der Neurone niedergelegt. Dieses Prinzip der Gedächtnis­speicherung gilt auch für den Menschen, daher kann das Bienengehirn als ein Modellsystem zum Studium allgemeiner Mechanismen der Gedächtnisbildung verwendet werden. Wenn man sich die zeitliche Dynamik der Gedächtnisspuren anschaut, dann findet man große Unterschiede bei verschiedenen Tieren. Offensichtlich ist diese Dynamik an die Verhaltensbedingungen geknüpft, unter denen das Gedächtnis eingesetzt wird. Für Bienen können wir nun zeigen, dass der Sammelzyklus von Futter mit der zeitlichen Dynamik der dabei eingesetzten Gedächtnisse eng verknüpft ist.

Forschungsthemen:

• Umweltspäher: Einfluss von Pestiziden auf die soziale Organisation des Bienenvolkes
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• Sleep and its role in memory consolidation
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• Reception and Learning of Electric Fields
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Unsere aktuellen Forschungsprojekte mit Honigbienen:

• Struktur der rezeptiven Felder und deren spektrale Eigenschaften hoch geordneter visueller Interneurone im Bienengehirn
  Mota / Paffhausen

• Neuronale Korrelate von sozialem Verhalten der Biene
  Paffhausen (Doktorarbeit)

• Neurale Korrelate der Entscheidungsfindung bei Hummeln in einer Laborumgebung
  Fuchs (Doktorarbeit)

• Veränderungen von elektrostatischen Feldsignalen in Honigbienenkolonien
  Dür (Doktorarbeit)

• Tanz Kommunikation bei Bienen: Wie interpretieren die Nachfolgerinnen von Tänzerinnen die Tanzbotschaft?
  Chen (Doktorarbeit)

Themen und Projekte für Bachelor- oder Masterarbeiten

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