Volume 24, Issue 2

Zusammenfassung Zielgerichtetes Verhalten wird durch neuronale Schaltkreise im Gehirn gesteuert. Erfahrungen können die Dynamiken dieser neuronalen Schaltkreise verändern, indem spezifische synaptische Verbindungen modifiziert werden. Die Lokalisierung einer solchen lerninduzierten synaptischen Plastizität hat sich jedoch bis heute als anspruchsvoll erwiesen. Technische Fortschritte in der Kontrolle und Messung von neuronaler Aktivität haben es nun ermöglicht, die dem Lernen und der Gedächtnisbildung zugrunde liegenden Strukturen im Gehirn des Modelsystems Drosophila in vivo zu charakterisieren. Die Taufliege ( Drosophila melanogaster) hat ein numerisch einfacheres Gehirn, was die Erforschung identifizierter Netzwerkkomponenten realisierbar macht. In diesem Artikel erörtern wir die Mechanismen, auf denen assoziatives Lernen, Gedächtnisabruf sowie die Reevaluierung von existierenden Gedächtnissen in Drosophila beruhen.

Stimulus directed behavior is regulated by communication between neurons within neural circuits throughout an animal’s brain. Experience can change the dynamics of neural circuits by modifying specific synaptic connections. However, pinpointing the sites of behavioral-relevant plasticity has proven challenging. Technical advances in controlling and monitoring neural activity in behaving animals have allowed for marked progress in understanding the logic underlying learning and memory in the model system Drosophila melanogaster . The fruit fly has a numerically simple brain and probing identified network components has become feasible. Here, we discuss cellular and circuit mechanisms underlying associative learning. We also provide insights into the computational operations encoding associative memories in the fly. Beyond their roles in learning and memory retrieval, these circuit components are recruited for the reevaluation of memories during memory extinction and reconsolidation.

Zusammenfassung Für viele Tiere ist die Verarbeitung visueller Reize und insbesondere Bewegungsreize von elementarer Bedeutung. Das Bewegungssehen beruht auf dem Vergleich von Lichtsignalen in Raum und Zeit. Zu verstehen, wie neuronale Netzwerke dies erreichen, gilt als Paradigma für die Durchführung spezifischer Rechnungen im Gehirn. Wir werden klassische Modelle des Bewegungssehens vorstellen und Einblicke in die Schaltkreise des Bewegungssehens in Drosophila geben. Direkte physiologische Messungen richtungsselektiver Zellen haben neue Erkenntnisse zur Umsetzung der Algorithmen des Bewegungssehens geliefert. Diese legen eine Kombination zweier Mechanismen nahe: Eine nicht-lineare Verstärkung von Bewegung in eine Richtung, sowie die Suppression von Bewegung in die entgegengesetzte Richtung. Diese Erkenntnisse und eine funktionelle Analyse der neuronalen Komponenten des Bewegungssehens ergeben, dass die Verarbeitung von Bewegungsreizen komplizierter ist als lange angenommen. Darauf aufbauend haben wir die Gelegenheit, die Eigenschaften grundlegender, aber komplexer Schaltkreise im Detail zu verstehen.

Many animals use visual motion cues to inform different behaviors. The basis for motion detection is the comparison of light signals over space and time. How a nervous system performs such spatiotemporal correlations has long been considered a paradigmatic neural computation. Here, we will first describe classical models of motion detection and introduce core motion detecting circuits in Drosophila . Direct measurements of the response properties of the first direction-selective cells in the Drosophila visual system have revealed new insights about the implementation of motion detection algorithms. Recent data suggest a combination of two mechanisms, a nonlinear enhancement of signals moving into the preferred direction, as well as a suppression of signals moving into the opposite direction. These findings as well as a functional analysis of the circuit components have shown that the microcircuits that process elementary motion are more complex than anticipated. Building on this, we have the opportunity to understand detailed properties of elementary, yet intricate microcircuits.

Zusammenfassung Die detaillierte Analyse von Synapsen als verbindende Elemente zwischen Nervenzellen ist von zentraler Bedeutung, um sowohl die kognitiven Leistungen des Gehirns als auch deren Einschränkungen zu verstehen. Modernste optische Verfahren erlauben es heute, einzelne Moleküle in lebenden Zellen zu detektieren. Insbesondere kann so die Dynamik der molekularen Komposition in kleinsten Kompartimenten wie etwa den prä- und postynaptischen Membranen erforscht werden. Die Beobachtung der Verteilung von Rezeptoren, Ionenkanälen und Adhäsionsmolekülen über die Zeit lässt erkennen, dass diese einer ständigen stochastischen Bewegung unterliegen. Dies ist überraschend, sind doch Synapsen gerade für solche Proteinmoleküle als Akkumulationsorte mit vielen molekularen Anknüpfungspunkten beschrieben. Durch gezielte Beeinflussung der lateralen Bewegung von Glutamatrezeptoren in Verbindung mit klassischer Elektrophysiologie konnte gezeigt werden, dass die molekulare Dynamik entscheidend für die Induktion synaptischer Plastizität ist und ihrerseits durch synaptische Aktivität beeinflusst werden kann. Sie sollte daher auch mit Blick auf übergeordnete Hirnfunktionen und neurologische Erkrankungen näher untersucht werden.

A detailed analysis of synapses as connecting elements between neurons is of central importance to understand the brain’s cognitive performance and its constraints. Nowadays, state-of-the-art optical methods make possible to localize individual molecules in a living cell. In particular, the dynamics of molecular composition can be evaluated in smallest neuronal compartments, such as pre- and postsynaptic membrane. The monitoring of the distribution of receptors, ion channels, and adhesion molecules over time revealed their continuous stochastic motion. This is surprising, since the synapses are considered as accumulation sites anchoring these molecules. The direct manipulation of the lateral dynamics of glutamate receptors, in combination with classical electrophysiological approaches, demonstrated that such molecular dynamics is necessary for the induction of synaptic plasticity and, in turn, is influenced by synaptic activity. Therefore, the molecular dynamics requires further studies in the context of the brain function in health and disease.

Zusammenfassung Es ist essenziell, die Vorgänge, die während der Entwicklung des zentralen Nervensystems (ZNS) ablaufen, zu verstehen, um Krankheitsbilder wie Mikrozephalie oder Neuralrohrdefekte, welche aus fehlerhaften Prozessen während der Entwicklung des ZNS resultieren, zu entschlüsseln.

Understanding central nervous system genesis is of crucial relevance to decode different human diseases such as microcephaly or neural tube defects, which arise from incorrect developmental processes. Epigenetic mechanisms regulate gene expression in a spatio-temporal manner and are implicated in diverse cellular actions one of which is cell differentiation. Therefore, the study of these mechanisms is of great relevance in the context of development and disease. In this article, we will review histone methylations as epigenetic modification and how they impact on gene expression and cell differentiation in central nervous system development and neural differentiation. Further, we will discuss an emerging link between histone methylation in the etiology of neural tube defects. We will specifically highlight the role of the disruptor of telomeric silencing like 1 (DOT1L) and histone H3 lysine 79 methylation (H3K79me), which is an unusual histone modification with implication for proper central nervous system development.

Zusammenfassung Wie hat die Darwin‘sche Evolution aus toter Materie den menschlichen Geist (die Seele; engl. mind) hervorgebracht? Aus diesem langen, komplizierten Prozess nimmt der vorliegende Aufsatz einen wichtigen Abschnitt heraus, den vom tierischen Verhalten zur Tier-Seele (animal mind). Der Lebensprozess hat zwei Domänen: Die Erhaltung der internen Stabilität und die Wechselwirkung zwischen dem Organismus und der Welt. Bei Tieren sind diese Wechselwirkungen als Verhalten organisiert. In der Evolution entsteht nützliches Verhalten, weil dieses der Fitness zugutekommt. Angesichts des Reichtums der Welt und der Offenheit der Zukunft wird die Organisation des Verhaltens immer komplexer und indirekter (Metaorganisation). Dieses Konzept wird in dem vorliegenden Aufsatz mit Verhaltensstudien an der Fliege Drosophila dokumentiert.

How did the process of Darwinian evolution lead from dead matter to the human mind? Of this long, complicated process the present essay selects and discusses just one step, that from animal behavior to animal mind. The process of living has two aspects, the maintenance of the process in the organism and the interaction of the organism with the world. In animals the latter is organized as behavior. Behavior evolves, as it serves the fitness of the animal. The brain evolves because it improves the behavior in terms of the animal’s fitness. Given the richness of the world and the openness of the future, the organization of behavior can be indirect and most intricate. The animal mind can be understood as behavioral organization at a higher level, as metaorganization. This concept is documented by behavioral studies in a particular animal, the fly Drosophila.

Zusammenfassung Im Juli 2017 etablierte die Deutsche Forschungsgemeinschaft an den Standorten Bochum, Essen, Dortmund und Marburg den SFB 1280. Ziel der Forschung des SFB ist die Aufklärung der lerntheoretischen, behavioralen, neuralen, immunologischen, genetischen und klinischen Mechanismen des Extinktionslernens – der komplexesten Form des Lernens. Dieser umfassende Ansatz ist notwendig, um die verschiedenen Facetten des Extinktionslernens zu identifizieren und somit grundlagenwissenschaftliche Erkenntnisse in klinische Anwendungen zu überführen. Mit 60 % der Projekte ist die Ruhr-Universität Bochum Sprecherhochschule (Sprecher: Prof. Dr. Onur Güntürkün). Der zweitgrößte Teilverbund kommt aus der Medizinischen Fakultät der Universität Duisburg-Essen (stellvertretende Sprecherin: Prof. Dr. Dagmar Timmann-Braun). Weitere beteiligte Institutionen sind das Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund sowie das Institut für Psychologie der Philipps-Universität Marburg.