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Forschungsschwerpunkte (und Projekte auf Basis der Grundausstattung):
Fernziel ist die Aufklärung der bisher kaum erforschten übergeordneten Steuerung des Laufverhaltens der Insekten durch das Gehirn und die Nutzung der Erkenntnisse für die Konstruktion ähnlich manövrierfähiger, autonomer Laufroboter. Als Studienobjekt dient die Fliege Drosophila, sie bietet das moderne Methodenspektrum der Neurogenetik. Im fünfjährigen Förderzeitraum der BioFuture-Gruppe sollen insbesondere Funktionen eines singulären Verrechnungszentrums zwischen den beiden Gehirnhälften aller Insekten, dem sog. Zentralkomplex aufgeklärt werden, der nach unseren Erkenntnissen maßgeblich an der Bewertung sensorischer Information und am Zustandekommen kohärenten, autonomen Verhaltens beteiligt ist. Die Untersuchungen sollen die große Wissenslücke füllen, die zwischen der seit langem intensiv erforschten peripheren Verarbeitung von sensorischer Information und der ebenfalls vergleichsweise gut verstandenen Beinkoordination durch das Bauchmark der Insekten besteht, das in seiner Funktion für das Laufen entfernt dem Rückenmark der Wirbeltiere entspricht.
Ergebnisse:
Die von uns isolierten 230 Drosophila-Laufmutantenstämme erlauben in Verbindung mit den von uns entwickelten hochauflösenden, quantitativen Verhaltensparadigmen eine Kartierung und Analyse der Laufsteuerung auf allen Ebenen des Nervensystems.
(1) Die Schrittsteuerung ist modular aufgebaut. Spezifische Mutanten belegen, dass Laufparameter wie Schrittlänge und -rate, Bein-Schwinggeschwindigkeit und -Schwingdauer von separierbaren Systemen gesteuert werden. Die Schrittlänge wird durch die Protocerebralbrücke des Zentralkomplexes im Gehirn kontrolliert.
(2) Die Beinplatzierung auf unebenem Terrain erfolgt überwiegend unter taktiler Kontrolle. In einem von uns entwickelten Trittsteinparadigma fanden wir ausgeklügelte und fehlertolerante Beinzugtrajektorien mit Wiederholungsfunktionen, die die Platzierung in unebenem Gelände ohne visuelle Kontrolle optimieren. Einflüsse bestimmter Augenbereiche verringern einige Platzierungsfehlertypen jeweils bestimmter Beine. Der entscheidende visuelle Einfluss auf das Laufen erfolgt über die visuelle Fernorientierung. Orientiertheit auf ein Fernziel erhöht die Schrittlänge und verbessert damit die Laufgeschwindigkeit um ca. 20%. Platzierungsinformation wird an nachfolgende Beine weitergegeben und verbessert deren Trittsicherheit entscheidend. Anders als bisherige Laufroboter halten sich Fliegenbeine ebenso sicher an Seitenflächen wie an Oberflächen von Hindernissen fest und sparen so nachträgliche Korrekturen.
(3) Orientierungsleistungen sind modular aufgebaut. Bisher konnten für die Orientierung nach Landmarken spezifische Gehirngebiete für folgende Verhaltensuntereinheiten identifiziert werden: Landmarkenauswahl, Kursbeibehaltung, Aufgabe nicht erreichbarer Ziele. (3a) Zielauswahl: Normale Fliegen wählen Zielobjekte u.a. nach Nähe. Sie vermeiden die sofortige Wiederwahl nach erfolglosem Besuch. Die Protocerebralbrücke wirkt an der Aufrechterhaltung der Motivation zur Objektorientierung mit. (3b) Kursbeibehaltung: Normale Fliegen halten den Kurs auf ein gewähltes Objekt auch dann, wenn es während des Anlaufs unsichtbar wird. Messungen an vielen unabhängigen Zentralkomplex-Mutanten belegen: Zwei bestimmte Zentralkomplex-Neuropile sind für die Kursbeibehaltung notwendig; Läsionen in anderen Gehirnteilen beeinträchtigen die Beibehaltung dagegen nicht. Mit toxigenetischen Methoden konnten wir diese Funktion im Ellipsoidkörper des Zentralkomplexes lokalisieren, in dem eine einfache Repräsentation der Umwelt abgelegt sein könnte. (3c) Zielaufgabe: Spezifisch durch Ablation der Pilzkörper im Gehirn wird die Fähigkeit genommen, den Anlauf auf ein Zielobjekt beenden zu können, sobald sich dieses als unerreichbar erweist.
(4) Der Zentralkomplex gleicht bestehende Asymmetrien zwischen den Körper- und Gehirnseiten aus und ermöglicht so den Geradeauslauf. Belegt wird diese Funktion durch mittlerweile drei spezifische Zentralkomplex-Mutantenlinien, in denen Asymmetrien des laufausführenden Apparats, bzw. des visuellen Systems beider Körperseiten nicht mehr ausgeglichen werden. Die betroffenen Individuen drehen sich beständig im Kreis. Die zugrunde liegenden Gene werden derzeit auch molekular analysiert.
(5) Die normale Steuerung von Richtungsänderungen wurde kinematisch beschrieben und 20 Mutantenlinien mit Defekten im Drehverhalten für weitere Studien isoliert.
(6) In drei Robotikprojekten werden die Erkenntnisse auf die Technik übertragen. (6a) Auf einem Radroboter mit panoramischen Kameraauge wird das visuelle Orientierungsverhalten der Fliege simuliert. (6b) In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Cruse (Uni Bielefeld) entstand ein Laufroboter (modifizierter Nachbau des TARRY II; Prof. Frik; Uni Duisburg), dessen basale Beinkoordination nach dem Muster der Stabheuschrecke funktioniert und dem die neu erkannten Prinzipien der übergeordneten Steuerung aus der Fliege eingebaut werden sollen. (6c) Mit einem einzelnen Roboterbein werden schließlich Beinendglieder und Prinzipien der Beinplatzierung auf einem Teststand erprobt.
Auszeichnungen und Preise:
Unabhängige Forschergruppe für fünf Jahre im Wettbewerb "BioFuture" des Bundesministeriums für Forschung (BMBF) im Jahr 1999 (Strauß).
"Förderpreis der Würzburger Universitätskorporationen für herausragende Nachwuchswissenschaftler" im Jahr 2001 (Strauß).
"Best-Poster Award" des 9. European Symposium on Drosophila Neurobiology, Dijon im Jahr 2002 (Mronz, Strauß).
Ausstattung:
Ausstattung für die Verhaltensphysiologie, für molekulare Biologie und für die Gehirnanatomie an Drosophila sowie für den Bau und Test von Modellrobotern.