Kontrastsehen von Fruchtfliegen Licht aus, Neurone an – wie Fliegen bei rascher Dunkelheit sehen

Die Augen sind ein zentrales Sinnesorgan vieler Lebewesen. Denn wer schnell einen potenziellen Fressfeind erkennt, kann sich leichter vor diesem in Sicherheit bringen. Wie sich das Sehen blitzschnell auf ändernde Lichtverhältnisse einstellt, haben nun Forscher an Fruchtfliegen untersucht.

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Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

Mainz – Das Sehen beruht ganz wesentlich auf der Wahrnehmung von Kontrasten. Wenn sich die Lichtverhältnisse ändern, braucht das Auge eine gewisse Zeit, um sich anzupassen und die Kontraste wieder zu erkennen. Diese Abläufe sind relativ gut erforscht. Nun haben Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster eine Funktion entdeckt, die das Verständnis von der visuellen Wahrnehmung erweitert.

Die Ergebnisse erklären, weshalb das Auge auch bei plötzlich veränderten Lichtverhältnissen Kontraste korrekt einschätzen kann. „Dazu verfügen Fruchtfliegen in ihrem visuellen System über Nervenzellen, die auf Lichtintensität reagieren. Diese Nervenzellen sind notwendig, damit die Fliegen ihr Verhalten anpassen können, wenn sich Lichtreize dynamisch ändern“, sagt Prof. Dr. Marion Silies, Leiterin der Studie an der JGU.

Kontraste und Veränderungen bestimmen das Sehen

Die sensorischen Systeme von Lebewesen haben sich so entwickelt, dass sie eher Veränderungen zur Kenntnis nehmen als absolute Faktoren. „Zum Beispiel wird eine Halskette im Laufe des Tages gar nicht mehr wahrgenommen, aber wir spüren es sofort, wenn sich ein Insekt auf unserer Haut niederlässt“, erläutert Silies. Auch die Sehsysteme sind flexibel und dafür ausgelegt, auf Veränderungen in der Umgebung zu reagieren. Viele Nervenzellen sprechen dabei auf Kontraste an und weniger auf die Lichtintensität selbst.

Eine Schlüsselrolle spielt bei Wirbeltieren wie auch bei Wirbellosen die Leistung der Photorezeptoren in der Netzhaut. Sie stellen sicher, dass der Kontrast unabhängig von der Hintergrundbeleuchtung ermittelt wird.

Die Neurobiologen um Silies haben nun an Fruchtfliegen die Abläufe untersucht, die direkt im Anschluss an die Photorezeptoren im Nervensystem stattfinden. Sie haben sich insbesondere die Wege über die so genannten Lamina-Neurone angeschaut, die darauf spezialisiert sind, eine Verstärkung oder eine Verringerung von Kontrasten festzustellen. Dabei haben die Forscher im visuellen System von Drosophila einen Zelltyp charakterisiert, der sensitiv für Lichtintensität ist.

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Die Rolle der Lichtintensität

Bisher ging die Fachwelt davon aus, dass der relative Kontrast, wie er über andere Lamina-Neurone vermittelt wird, ausreicht, um bei schnellen Veränderungen der Lichtverhältnisse noch präzise zu sehen, etwa wenn ein Fußball vom Licht in den Schatten fliegt.

Wie die Forscher erklären, reichen die kontrastempfindlichen Lamina-Neurone alleine jedoch nicht aus, um bei rasch ändernden Helligkeiten schnell genug ein Bild zu erkennen. „Wir zeigen, dass Lichtintensität ein korrigierendes Signal ist, das eingreift, wenn es plötzlich dunkel wird. Das heißt also, dass die Information über die Lichtintensität notwendig ist, um dann den Kontrast richtig zu erkennen“, sagt Erstautorin Madhura Ketkar.

Reaktionstest im Schattenspiel

Der Nachweis gelang den Neurobiologen durch Messung der Kalzium-Signale in den Nervenzellen mithilfe der Zwei-Photonen-Mikroskopie. Damit lässt sich die Aktivität von einzelnen Nervenzellen in lebenden Fruchtfliegen ermitteln. „Bei unseren Messungen konnten wir feststellen, dass es Zellen gibt, die auf Lichtintensität und nicht auf Kontrast reagieren“, sagt Silies. Diese Ergebnisse wurden dann durch Verhaltensexperimente untermauert, bei denen Fliegen auf einem kleinen luftgepolsterten Ball vor einem sich dynamisch verändernden Hintergrund laufen. „Wir konnten auch eindeutig zeigen, dass diese luminanz-sensitiven Zellen notwendig sind, damit die Fliege reagieren kann, wenn der Hintergrund schnell dunkel wird“, führt Silies aus. Fehlen diese Lamina-Neurone L3, bleibt die angemessene Verhaltensantwort aus.

Die Arbeit zeigt damit einen neuen Mechanismus auf, der eine korrekte Bildverarbeitung bei sich dynamisch verändernden Lichtverhältnissen beschreibt. Kontrastsensitivität allein genügt nicht, um die Verhaltensreaktionen auf visuelle Stimuli zu erklären. Lichtintensität, das primäre Eingangssignal für das visuelle System, ist unbedingt zusätzlich notwendig, um Bewegungen korrekt zu steuern, so das Fazit der Forscher. Sie nehmen an, dass es sich hierbei um eine generelle Strategie der visuellen Verarbeitung handelt, die das menschliche Auge wahrscheinlich ebenfalls verwendet.

Originalpublikation: M. D. Ketkar et al.: Luminance Information Is Required for the Accurate Estimation of Contrast in Rapidly Changing Visual Contexts, Current Biology, 30. Januar 2020; DOI: 10.1016/j.cub.2019.12.038

* P. Giegerich, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, 55122 Mainz

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