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Innere Uhr

Detaillierter Blick ins Uhrwerk des Gehirns

| Autor / Redakteur: Gunnar Bartsch* / Dr. Ilka Ottleben

Der Blick ins Gehirn einer Biene zeigt, dass die Uhrenneurone, die das Peptid "PDF" enthalten, in viele Bereiche des Gehirns ziehen. Die Verzweigungen der Neurone sind weiß dargestellt, die verschiedenen Gehirnbereiche sind mit Farben unterlegt.
Der Blick ins Gehirn einer Biene zeigt, dass die Uhrenneurone, die das Peptid "PDF" enthalten, in viele Bereiche des Gehirns ziehen. Die Verzweigungen der Neurone sind weiß dargestellt, die verschiedenen Gehirnbereiche sind mit Farben unterlegt. (Bild: AG Helfrich-Förster)

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Innere Uhren steuern das Verhalten sämtlicher Lebewesen. Am Beispiel der Honigbiene haben Wissenschaftler der Universität Würzburg jetzt anatomische Strukturen und molekulare Prozesse der Chronobiologie genauer unter die Lupe genommen.

Würzburg – Wie schafft es die Honigbiene, zum richtigen Zeitpunkt jene Blumen anzusteuern, die genau dann in voller Blüte stehen? Wie findet sie zum Bienenstock zurück, auch wenn die Sonne, an dem sich das Insekt orientiert, ihren Stand am Himmel längst verändert hat? Wie schafft sie es, diese Informationen an ihre Kollegen weiterzugeben? Und welche molekularen Prozesse steuern dieses Verhalten, über welche anatomischen Strukturen laufen sie ab?

Chronobiologie heißt das Fachgebiet, das sich mit solchen und weiteren Fragen rund um die inneren Uhren sämtlicher Lebewesen vom Einzeller bis zum Menschen beschäftigen. An der Universität Würzburg ist Professorin Charlotte Helfrich-Förster Expertin auf diesem Gebiet. Die Inhaberin des Lehrstuhls für Neurobiologie und Genetik forscht am Biozentrum vor allem am Tag-Nacht-Rhythmus von Insekten. Jetzt hat sie gemeinsam mit ihrem Team neue Details dieser Vorgänge in der Honigbiene entschlüsselt.

Einem für innere Uhren zentralen Peptid auf der Spur

„Wir haben uns in unserer aktuellen Studie auf die Konzentration eines bestimmten Peptids im zentralen Nervensystem der Biene konzentriert“, erklärt Charlotte Helfrich-Förster. „Pigment-Dispersing-Factor“ oder kurz PDF ist der wissenschaftliche Name dieses Peptids. Von ihm ist bereits seit längerem bekannt, dass es im Uhren-Netzwerk von Insekten eine zentrale Rolle einnimmt. Frühere Messungen zeigen auch, dass PDF von speziellen Nervenzellen, den sogenannten Uhren-Neuronen, produziert wird.

Diese Nervenzellen haben Helfrich-Förster gemeinsam mit Kollegen der Universitäten in Regensburg und in Jerusalem nun genauer unter die Lupe genommen. Ziel war es, neuronale Prozesse und anatomische Strukturen der inneren Uhr detailliert zu entschlüsseln. In ihrer Studie haben die Wissenschaftler dazu hochaufgelöste Bilder des zentralen Nervensystems der Biene mit einer kontinuierlichen Messung der dortigen PDF-Konzentration über den Tag hinweg kombiniert und ausgewertet. Zusätzlich haben die Forscher den Bienen künstliche PDF- Peptide verabreicht und die Folgen untersucht.

Anatomische Brücke im Netzwerk innerer Uhren

Die zentralen Ergebnisse dieser Experimente fasst Charlotte Helfrich-Förster folgendermaßen zusammen: „Unsere Analysen zeigen, dass PDF-Neurone Bereiche des Gehirns ansteuern, die für das Lernen, das Gedächtnis und die Orientierung am Sonnenstand wichtig sind. Die Konzentration der PDF-Proteine unterliegt dabei deutlichen Schwankungen im Tagesverlauf mit einem absoluten Tiefstand am frühen Morgen. Bekamen die Bienen künstliches PDF verabreicht, verschob sich ihr typisches Bewegungsverhalten um einige Zeit nach hinten.“

Für die Wissenschaftler ist damit klar: PDF-Uhren-Neurone bilden zum einen die anatomische Brücke zwischen den unterschiedlichen Schrittmacherzellen im Uhren-Netzwerk von Insekten. Darüber hinaus übertragen sie Tag-Nacht-Informationen von der inneren Uhr zu solchen Bereichen des Gehirns, die komplexe Verhaltensmuster steuern, wie etwa die Orientierung nach dem Sonnenstand, das Zeitgedächtnis und die Einteilung der Arbeit über den Tag hinweg.

Originalpublikation: Katharina Beer, Esther Kolbe, Noa. B. Kahana, Nadav Yayon, Ron Weiss, Pamela Menegazzi, Guy Bloch and Charlotte Helfrich-Förster: Pigment-dispersing factor-expressing neurons convey circadian information in the honeybee brain. Open Biology. http://dx.doi.org/10.1098/rsob.170224

* G. Bartsch: Julius-Maximilians-Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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