Die Fruchtfliege und ihre kammförmigen Neuronen

Die Fruchtfliege ist einer der am besten untersuchten Organismen der Welt. Trotzdem lässt sie noch Fragen offen. Zum Beispiel, wie einige ihrer Neuronen Dendriten mit einer besonderen, kammähnlichen Form entwickeln. Wissenschaftler des ESI haben dies nun untersucht. Und dabei etwas Erstaunliches herausgefunden.

27 Jan 2021


Wie entwickeln sich Nervenzellen? Die Montage von Zeitrafferaufnahmen macht den Wachstumsprozess sichtbar. Bild: Hermann Cuntz

Wie entwickeln sich Nervenzellen? Die Montage von Zeitrafferaufnahmen macht den Wachstumsprozess sichtbar. Bild: Hermann Cuntz

Der Körper der Fruchtfliege ist winzig. Die Frage, die er beantworten soll, groß: Wie optimieren seine Dendriten, also die Abschnitte einer Nervenzelle, die Reize empfangen, ihre Struktur? André Ferreira Castro, Neurowissenschaftler des Cuntz Lab am Ernst Strüngmann Institut (ESI) in Frankfurt, und seine Kollegen am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Bonn haben versucht, dies herauszufinden. „Wir wollten wissen, welchen Regeln Dendriten folgen, wenn sie wachsen: Folgen sie einem inhärenten Bauplan und wie sie aussehen werden, ist daher völlig vorhersehbar? Oder wird ihr Wachstum von äußeren Faktoren bestimmt? Oder liegt dem allen ein ganz anderer Plan zugrunde?“, fasst André Ferreira Castro die Fragestellung des Artikels zusammen, der nun in der Fachzeitschift eLifeerschienen ist.

Die Forscher haben sich dafür auf eine Neuronenart der Fruchtfliege konzentriert, die fachsprachlich auch c1vpda genannt wird. Die Dendriten dieser Neuronen haben eine ganz besondere Form: Betrachtet man sie unter dem Mikroskop, erkennt man, dass sie so verzweigt gewachsen sind, dass sie wie kleine Kämme aussehen. Dadurch können sie die Kriechbewegungen der Larve besonders gut aufnehmen.

Fruchtfliege im Zeitraffer

Doch wie entsteht diese besondere Verzweigung, welcher Prozess liegt ihr zugrunde? Eine Frage, die bisher noch nicht ausreichend geklärt wurde. Um dies zu ändern, haben die ESI-Wissenschaftler mit der Forschungsgruppe von Gaia Tavosanis am DZNE zusammengearbeitet. Und sich die Fruchtfliege in verschiedenen Entwicklungsstadien genauer angesehen: nachdem das Ei gelegt wurde und nach dem Schlüpfen in verschiedenen Larvenstadien. Dafür haben sie in Embryos und Larven c1vpda mit Kontrastmittel präpariert, um die Entwicklung ihrer Dendriten zu sehen, im Zeitraffer zu filmen und anschließend auszuwerten. Dabei konnten sie eine Abfolge von Differenzierungsstadien aufzeigen: Bevor die Dendriten ihre Kammform erreichen, durchlaufen sie verschiedene Pha-sen, in denen sie (1) Äste ausbilden und (2) zum Teil wieder zurückziehen (Retraktion), bevor sie ihre finale Form (3) stabilisieren und (4) ausdehnen, weil das Tier wächst.

„Nachdem wir damit eine vermeintliche funktionelle Rolle der Retraktionsphase festgestellt haben, lautete die nächste Frage: Nach welchen Prinzipien läuft sie ab? Wie verbessert sie die Verzweigung, um die bestmögliche Funktionsfähigkeit der Dendriten zu erhalten?“, erzählt André Ferreira Castro. Um herauszufinden, nach welchen Regeln Dendriten wachsen und sich zurückziehen, erstellten er und seine Kollegen des Cuntz Lab auf Grundlage der Zeitraffer-Daten ein Computermodell, das den oben beschriebenen Differenzierungsprozess simuliert. Dafür nahmen sie drei Variablen hinzu: Anzahl der Verzweigungspunkte, Gesamtlänge, Fläche. „Jedes Mal, wenn wir die computergenerierten Daten mit realen Daten verglichen, stimmten sie überein. Wenn wir eine der Variablen herausnahmen, stimmte es nicht.“

Zufall bestimmt Wachstum

Das führt die Wissenschaftler zu einer erstaunlichen Erkenntnis: Ein stochastischer Prozess bestimmt, wie die hier untersuchten Dendriten wachsen. Also der Zufall. „Das hat uns echt am meisten überrascht! Und wir haben eine Weile gebraucht, bis wir es wirklich glauben konnten“, erinnert sich André Ferreira Castro. Kein Wunder, rechneten die Forscher doch eher damit, eine Art molekül-inhärenten Bauplan zu finden. André Ferreira Castro: „Das war für mich eines der faszinierendsten Ergebnisse: Es gibt keine strengen Regeln, sondern die Nervenzellen sind während ihrer Entwicklung flexibel und damit sehr anpassungsfähig. Gleichzeitig optimieren sie ihre Funktionsfähigkeit dabei kontinuierlich weiter.“ Obwohl die Fruchtfliege so klein und so gut erforscht ist, kann sie doch noch für große Überraschungen sorgen.

André Ferreira Castro und Hermann Cuntz (Fotos: André Ferreira Castro, ESI/Jean Laurens)

André Ferreira Castro und Hermann Cuntz (Fotos: André Ferreira Castro, ESI/Jean Laurens)

Originalpublikation: Ferreira Castro A, Baltruschat L, Stürner T, Amirhoushang B, Jedlicka P, Tavosanis G, Cuntz H (2020). Achieving functional neuornal dendrite structure through sequential stochastic growth and retraction. eLife 9(e0920). https://doi.org/10.7554/eLife.60920