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Von Fliegen laufen lernen

20.07.1999 - (idw) Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Eine wissenschaftliche Nachwuchsgruppe am Biozentrum der Universität Würzburg analysiert mit neurogenetischen Methoden, wie das Laufverhalten der Taufliege vom Gehirn gesteuert wird. Die dabei erkannten Strategien und Verschaltungsprinzipien sollen auf die Robotertechnik übertragen werden.

Mit ihren sechs Beinen bewegt sich die Taufliege Drosophila an einer glatten Fensterscheibe ebenso sicher wie in der bizarren Landschaft einer Biotonne. Von einer solchen Wendigkeit sind Laufroboter, die für gefährliche Arbeiten in unwegsamem Gelände, beispielsweise bei der Aufforstung von Berghängen, eingesetzt werden könnten, noch weit entfernt. Die Fliege kann aber noch erheblich mehr: Sie sucht ihre Ziele selbst und bestimmt Wege und Strategien, um sie zu erreichen. Dieses Verhalten lässt sich technisch bisher nicht kopieren.

Hier setzt das Forschungsprojekt von Dr. Roland Strauß an, der im Umfeld des Lehrstuhls für Genetik der Universität Würzburg eine Nachwuchsgruppe etabliert hat. Sein Vorhaben wird im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgeschriebenen Wettbewerbs "BioFuture" einschließlich aller Personalstellen in den kommenden fünf Jahren mit 2,8 Millionen Mark gefördert. In der ersten Runde des Wettbewerbs sind bundesweit neun von 205 Anträgen bewilligt worden.

Dr. Strauß war zuvor am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen tätig. Dort hat er 11.000 Fliegen nach Verhaltenskriterien durchmustert und 230 Linien mit stabil vererbbaren Störungen des Laufverhaltens gefunden. Auffällig viele davon wiesen Veränderungen in einem bisher kaum untersuchten, als Zentralkomplex bezeichneten Bereich des Fliegengehirns auf. Diese und weitere, am Lehrstuhl für Genetik erzeugte neuroanatomische Linien bilden die Grundlage für die Untersuchungen am Biozentrum, denn es hat sich gezeigt, dass der zwischen den beiden Gehirnhälften eingebettete Zentralkomplex die Laufaktivität sowie die Geschwindigkeit und Orientierung des Laufens steuert und Seitenasymmetrien ausgleicht.

Für die umfangreichen Reihenuntersuchungen des Laufverhaltens hat Dr. Strauß einen rechnergestützten Laufanalysator konstruiert, bei dem die Fliegen frei auf einer von Laserlicht überstrahlten Glasplatte laufen. Der nur 0,2 Millimeter starke, für die Fliegen unsichtbare Lichtteppich beleuchtet die Endglieder aller Beine mit Bodenkontakt. Videokameras unter der Glasplatte erfassen die Aufsetzpunkte, eine angeschlossene Elektronik mittelt Positionen und Zeiten des Bodenkontakts. Hebt die Fliege die Beine hoch, werden sie für die Kameras unsichtbar. Ein Computer ermittelt schließlich die Gangart und vermisst Schrittlängen und -frequenzen.

Die Forscher führen ihre Untersuchungen zum Orientierungsverhalten von normalen und im Zentralkomplex gestörten Fliegen in einem computergesteuerten zylindrischen Panorama aus 6.000 Leuchtdioden durch. Auf diesem Rundum-Bildschirm können sie beliebige virtuelle Objekte und Landschaften erzeugen. Alle Elemente können abhängig von der aktuellen Bewegung der Fliege verändert werden, deren Position und Ausrichtung beständig von einer Videokamera erfasst wird. Lässt man einer laufenden Fliege zum Beispiel ihr gewähltes Zielobjekt scheinbar entgegenkommen, so kann man ihr eine erhöhte Laufgeschwindigkeit vortäuschen.

Andere Versuchsreihen mit zeitweise unsichtbar geschalteten Landmarken haben gezeigt, dass normale Fliegen den gewählten Kurs auch ohne aktuellen Seheindruck für einige Zeit weiter verfolgen können. Dieses Beharrungsvermögen erhöht in einer natürlichen Umgebung, in der ein Ziel durch Bodenunebenheiten oder Verdeckung leicht aus dem Blick geraten kann, den Erfolg eines Anlaufs. Fliegen mit bestimmten Defekten des Zentralkomplexes verlieren dagegen den Kurs schon innerhalb der ersten Sekunde und verfallen dann in Suchverhalten.

Inwieweit der Zentralkomplex Sitz einer einfachen Repräsentation der Umwelt sein könnte, ist Gegenstand weiterer verhaltensphysiologischer und anatomischer Untersuchungen. Dr. Strauß, der die Erforschung des Laufverhaltens in seiner Doktorarbeit am Würzburger Genetik-Lehrstuhl begonnen hat, ist sich sicher, dass die Fliegen in ihrer über 500 Millionen Jahre dauernden Evolution Lösungen für Probleme der Laufsteuerung gefunden haben, von denen auch zukünftige autonome Roboter profitieren können.

Weitere Informationen: Dr. Roland Strauß, T (0931) 888-4470, Fax (0931) 888-4452, E-Mail:

roland.strauss@biozentrum.uni-wuerzburg.de
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