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SNF: Bild des Monats Juni 2008: Fruchtfliegen im Flugsimulator

SNF: Bild des Monats Juni 2008: Fruchtfliegen im Flugsimulator
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Bern (ots)

- Hinweis: Bildmaterial steht zum kostenlosen Download bereit  
     unter: http://www.presseportal.ch/de/pm/100002863 -
Winzlinge im Windkanal
Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist eine Akrobatin der 
Lüfte. Doch was befähigt das winzige Insekt zu seinen erstaunlichen 
Flugkünsten? Am Institut für Neuroinformatik der Universität und der 
ETH Zürich haben Forschende mit Unterstützung des Schweizerischen 
Nationalfonds (SNF) eigens einen Windkanal zum Flugsimulator 
aufgerüstet, mit dem Ziel, die physiologischen Grundlagen des flinken
Fliegenflugs zu entschlüsseln.
Die Beobachtung der natürlichen Bewegungsabläufe von Tieren in 
einem kontrollierten Umfeld ist sowohl für die Neurobiologie, als 
auch die Ingenieurwissenschaften ein lohnendes Forschungsgebiet. Ein 
detailliertes Verständnis davon, wie Gehirn und Bewegungsapparat 
eines Lebewesens Reize verarbeiten, um geeignet darauf zu reagieren, 
eröffnet der Mikrorobotik neue Perspektiven und erlaubt Rückschlüsse 
auf neuronale Kontrollmechanismen, die sich im Verlauf der Evolution 
bewährt haben. Der reflexgesteuerte Flug der Fruchtfliege bietet dazu
ein ausgezeichnetes, weil experimentell zugängliches Modell. 
Drosophila melanogaster ist in der Lage, durch blitzschnelle und fein
dosierte Veränderungen ihres Flügelschlags das eigentlich instabile 
Flugverhalten ihres winzigen Körpers präzise zu kontrollieren.
Kontrolliert gegen den Wind
Um die Geheimnisse der Flugfähigkeit des nur knapp 2,5 Millimeter 
langen Insekts zu erkunden, hat ein Forscherteam unter der Leitung 
des Biologen Steven Fry am Institut für Neuroinformatik der 
Universität und der ETH Zürich mit Unterstützung des Schweizerischen 
Nationalfonds (SNF) einen Windkanal konstruiert, in dem der freie 
Flug von Drosophila unter kontrollierten Bedingungen mit einem 
«Echtzeit-Tracking-System» verfolgt werden kann. Gleichzeitig wird 
die Fliege von der Seite mit einer Hochgeschwindigkeitskamera 
gefilmt, um die Flügelbewegungen und Körperorientierung im selben 
Zeitraum detailliert aufzuzeichnen. Um sicherzustellen, dass die 
Probanden in der Versuchsanordnung auch motiviert sind, gegen den 
Wind zu fliegen, wird der mit 0,3 Meter pro Sekunde verwirbelungsfrei
durch den Windkanal säuselnde Luftstrom mit einem für die 
Fruchtfliegen unwiderstehlichen Essigduft «parfumiert»; so steuern 
die Fliegen Richtung der vermeintlichen Futterquelle.
Ob und wie schnell sich Drosophila beim Flug gegen den Wind 
vorwärts bewegt, kontrolliert der Winzling auch im Windkanal mit den 
Augen. «Die Fliege berechnet ihre Geschwindigkeit anhand der Muster, 
die an ihrem Gesichtfeld vorbeiziehen», erklärt Steven Fry. Um diesen
«optischer Fluss» genannten Sinneseindruck zu kontrollieren, haben 
Fry und sein Team ihren Windkanal durch seitliche Projektionsflächen 
zu einem Flugsimulator aufgerüstet. Über diesen künstlichen Horizont 
können die Forscher nach Belieben breitere oder schmalere 
Hell-Dunkel-Muster laufen lassen und so den Fruchtfliegen unabhängig 
von ihrem realen Flugtempo unterschiedliche Geschwindigkeiten 
vorgaukeln. In der komplexen Versuchsanordnung messen zwei 
Video-Kameras den dreidimensionalen Flug der Insekten, während der 
virtuelle optische Fluss automatisch gesteuert wird.
Geschwindigkeitssteuerung durch optischen Fluss
Erst diese Entkoppelung des «Autopiloten» der Fliegen von ihrer 
realen Bewegung erlaubte den Forschern eine isolierte Analyse der 
Leistungsfähigkeit der Bewegungskontrolle von Drosophila. «Wir 
konnten dieses ambitionierte Forschungsvorhaben nur durch die 
Kombination mehrerer Hochleistungstechnologien realisieren», betont 
Steven Fry. Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass 
das Sehsystem der Fliege visuelle Reize äusserst komplex verarbeitet,
die Geschwindigkeit aber dennoch mit einer verblüffend einfachen 
Strategie steuert.
Und zwar ist die Beschleunigung der Fliege genau proportional zum 
wahrgenommenen optischen Fluss. Um zu beschleunigen, ändert 
Drosophila ihre Körperlage ähnlich einem Helikopter, wofür zusätzlich
mechanische Sinnesreize über die Körperbewegung verarbeitet werden 
müssen. Diese Mechanismen werden genauer untersucht, indem die Fliege
von der Seite mit einer 1000Hz-Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt 
wurde, die in der Lage ist, die Flügelbewegungen und Körperlage im 
Detail aufzulösen.
Ziel der Verhaltensstudie im Flugsimulator ist jedoch letztlich 
die Entschlüsselung der neuronalen Grundlagen für den Fliegenflug. In
transgene Fruchtfliegen werden gezielt DNA-Sequenzen eingeschleust, 
die bestimmte Nervenzellen des Sehsystems ausschalten. Die Forscher 
können dann bestimmen, welche Rolle die genetisch veränderten Zellen 
für die korrekte Verarbeitung des optischen Flusses im Fliegenhirn 
spielen. Erste Resultate der Versuche mit transgenen Fruchtfliegen 
will das Team von Steven Fry noch in diesem Jahr publizieren.
Text und Bild dieses Berichts können auf der Website des 
Schweizerischen Nationalfonds herunter geladen werden. 
http://www.snf.ch > Medien > Bild des Monats

Kontakt:

Dr. Steven N. Fry
Institut für Neuroinformatik
Universität/ETH Zürich
Winterthurerstrasse 190
CH-8057 Zürich
Tel: +41 (0)44 635 30 45
Fax: +41 (0)44 635 30 53
E-Mail: steven@ini.phys.ethz.ch

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