Wenn Fliegen von Bananen träumen

Biologie. Die Fliege ist der Superstar unter den Labortieren: Sie dient als Modell für die Entschlüsselung von Schlafrhythmus, Alterungsprozessen und genetischen Leiden. Nun wollen Forscher wissen, was im winzigen Gehirn des Tiers abläuft – und was dies für den Menschen bedeutet.

Lautlos schwirrt die Taufliege durch die Luft, angelockt von einem gelb leuchtenden Streifen, der nach Banane duftet. Die Finsternis stört das Insekt nicht. Auch dass der Streifen einer Banane kaum ähnelt, dämpft den Enthusiasmus vorerst nicht. Nur der stählerne Draht, der in das winzige Gehirn der Fliege ragt und sie nicht vom Fleck kommen lässt, schmälert das Verlangen allmählich. Schließlich schläft das Insekt in dem dunklen Zylinder ein, in dem es hängt. Die mikrodünne Drahtspitze inmitten der Nervenzellen zeichnet seine Gehirnaktivität auf.

Der Flugsimulator, der die Fliege mit gelben Streifen und Bananenaroma kirre macht, steht im Labor von Ralph Greenspan und Bruno van Swinderen am Neurosciences Institute in La Jolla, Kalifornien. Der Raum ist kaum größer als eine Abstellkammer. Die Fliegen müssen sich mit verstöpselten Reagenzgläsern als Behausung begnügen, auf deren Boden eine nahrhafte Paste sie am Leben hält. Rechts hängt eine bunte Schautafel an der Wand, die erläutert, wie Insekten optische Reize verarbeiten; gegenüber steht ein Mikroskop, mit dessen Hilfe van Swinderen eine Elektrode in den Kopf des Insekts einführt.

Noch vor wenigen Jahren hielt man solche Untersuchungen für unmöglich, das Taufliegengehirn für viel zu klein. „Wir haben es einfach ausprobiert,“ erklärt van Swinderen, während er die Nadelspitze mit einem Blick durchs Okular lenkt. „Und es hat funktioniert.“

Die kaum zwei Millimeter kleinen Kreaturen sind die Superstars unter den Labortieren. Ihre größte Stärke: Sie vermehren sich in Windeseile. Aus einem einzigen Weibchen können in dreißig Tagen 16 Millionen Tiere hervorgehen. Das hat die Fliegen bei Forschern sehr beliebt gemacht, allen voran bei den Genetikern – aber nicht deshalb, weil sie von der Lebenswelt der Tiere so fasziniert wären. Die Fliegen werfen vielmehr ein Licht auf die Grundlagen des Lebens – jenes der Insekten ebenso wie auf jenes des Menschen. Ersetzt man etwa das Gen, das in einer Fliege die Augenbildung steuert, durch jenes Gen, das in einer Maus dieselbe Funktion erfüllt, entwickelt das Insekt ein normales Facettenauge.

Forscher haben mithilfe diverser Mutanten von Drosophila melanogaster, wie die Fliege auf Lateinisch heißt, und ihrer nahen Verwandten inzwischen ein ganzes Set vergleichbarer „Schalter“ entdeckt. Solcherart lässt sich beispielsweise in die Embryonalentwicklung und den Alterungsprozess eingreifen. Seit den siebziger Jahren wurden zudem die genetischen Grundlagen des Verhaltens erforscht – etwa der Zeitrhythmus, nach dem Drosophila lebt, und ihre Sexualgewohnheiten.

Fliegen auf Drogen. Auf Fliegensex hat sich auch Barry Dickson spezialisiert, der kürzlich den Wittgenstein-Preis erhielt (siehe Kasten). In seinen jüngsten Arbeiten entdeckte Dickson, wie Gene die Balz bei Fruchtfliegen steuern. Auch testeten Forscher, wie Taufliegen auf die Droge Methamphetamin reagieren – genau wie der Mensch: berauscht, hyperaktiv, mit reduziertem Schlafbedürfnis. Doch die größte Herausforderung besteht wohl darin herauszufinden, was im winzigen Kopf der Fliege vorgeht.

Wissenschafter hielten Insekten traditionell für dumpfe Automaten, die nur von Reflexen gesteuert ihr kurzes Leben absolvieren. Doch immer häufiger entdecken sie bei Insekten Spuren von Intelligenz – nicht nur bei Bienen, die in einem Labyrinth geschickt einem Geruch oder einer Farbe folgen. Auch bei Taufliegen rattern die Neuronen nicht nur mechanisch vor sich hin. Die Fliege verfolgt die Umgebung aufmerksam, und wenn sie schlummert, träumt sie womöglich sogar – vielleicht von Obst, Abfällen oder Kompost, über die sie sommers herfällt, weshalb man sie auch Fruchtfliege nennt.

Ob die Fliege sogar denkt? Das geht Ralph Greenspan doch zu weit. „Von Gedanken kann keine Rede sein“, stellt der schlaksige Forscher kategorisch klar. „Wir wissen nicht einmal, ob Fliegen ein echtes Bewusstsein haben. Wir haben allenfalls eine primitive Form der Aufmerksamkeit entdeckt.“ Greenspan deutet auf ausgedruckte Kurven eines Elektroenzephalogramms (EEG), die Elektroden zwischen den Pilzkörper genannten Bereichen des Fliegengehirns aufgezeichnet haben. Die Wellenlinien registrieren die Neuronenaktivität fast des ganzen Gehirns. Konfrontierten die Forscher die Fliege mit dem gelben Streifen inklusive Bananenbukett, beobachteten sie, wie sich verschiedene Hirnareale, die sonst kakofonisch in diversen Frequenzen schwingen, alle bei 20 bis 30 Hertz einpendelten. Greenspan: „Diese Synchronisierung ist eine neuronale Koordinierung angesichts des Stimulus. Gesteigerte Aufmerksamkeit, kein Gedanke.“

Geruchsneuronen und optische Nervenzellen stehen dabei in keinem direkten Kontakt; dennoch verstärkt der Bananengeruch das Interesse für den gelben Strich. Das deutet darauf hin, dass eine höhere Instanz die Wahrnehmung koordiniert. Damit haben Greenspan und van Swinderen nicht nur ein kognitives Talent im Kopf von Drosophila entdeckt, mit den Schaltkreisen der Aufmerksamkeit haben sie auch ein zentrales Element jeglichen Bewusstseins aufgespürt: Ständig strömen ungezählte Daten aus der Umwelt auf den Menschen ein, von denen er nur die wenigsten bewusst wahrnimmt, etwa die Zeile eines Magazinartikels. Den Rest – mögen es Verkehrsgeräusche oder Fliederduft sein –, blendet ein konzentrierter Geist weit gehend aus. Bei Fliegen funktioniert das kaum anders – nur lässt sich dieser Mechanismus viel leichter erforschen: Ihr Gehirn hat bloß 250.000 Nervenzellen statt 100 Milliarden wie jenes des Menschen.

Scharfe Bilder. Wie die Fokussierung im neuronalen Sehzentrum des Fliegenhirns genau zustande kommt, hat der Neurobiologe Alexander Borst vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried genauer untersucht. Er fand heraus, wie es das Gehirn schafft, das Facettenauge auf ein bewegtes Objekt scharf zu stellen. „Eine Fliege ist nahezu ständig in Bewegung. Deswegen ist die Kunst, ein bewegtes Objekt vor einem sich bewegenden Hintergrund zu erkennen“, erklärt Borst.

Mittels Elektroden und Computersimulation haben die Forscher herausgefunden, dass zwei Nervenzelltypen zunächst dafür sorgen, dass die wahrgenommene Welt weich gezeichnet wird – sie wird unscharf. Diese Daten verrechnet das Gehirn mit den Informationen jener Neuronen, die für die gezielte Wahrnehmung bewegter Objekte zuständig sind. Die Folge: Die Kontraste treten stärker hervor, und das bewegte Objekt erscheint schärfer. Das gelingt dem Gehirn auf besonders ökonomische Weise: Das neuronale Netzwerk besteht aus nur drei Zellen. Doch Borst erkennt darin die Grundlage elementarer kognitiver Fähigkeiten – etwa jene, im Flug in Sekundenbruchteilen zu manövrieren.

Zudem ist die Taufliege durchaus auch lernfähig – inklusive guten Gedächtnisses, zumindest, wenn es um die Partnerwahl geht. Beim Balztanz umschwänzelt das Männchen die Auserwählte, trägt einen vibrierenden Liebesgesang vor und müht sich, die weiblichen Sexualorgane mit seinem Mundwerkzeug zu berühren. Mitunter verströmt das Weibchen jedoch einen Geruchsstoff, der Freiern signalisiert, ihre Bemühungen einzustellen, da es sich erst kürzlich gepaart hat. Lernfähige Männchen lassen von entsprechend duftenden Weibchen ab, es sei denn, etwas läuft schief – etwa aufgrund eines genetischen Defekts. So haben Forscher herausgefunden, dass es einen genetischen Schalter gibt, der das Erinnerungsvermögen steuert.

Fliegenmedizin. Sein Ausfall ist beim Menschen für die Krankheit „Fragile X-Syndrom“ verantwortlich, eine erbliche Form geistiger Behinderung, die zu Problemen mit dem Kurzzeitgedächtnis führt. An der Universität Pennsylvania arbeiten Biologen an entsprechenden Medikamenten – Präparate, die bei Fliegen wirken, könnten auch dem Menschen helfen.

Das komplexe Balzverhalten der Fliege dürfte ebenfalls gengesteuert sein. Das haben der Neurobiologe Barry Dickson und seine Kollegin Ebru Demir vom Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie entdeckt, wie sie Anfang Juni im Fachjournal „Cell“ berichteten. Seit Längerem ist bekannt, dass ein Gen namens „Fru“ für das Sexualverhalten der Taufliege eine wichtige, wenn auch jeweils geschlechtsspezifische Rolle spielt. Dickson und seiner Arbeitsgruppe gelang es, durch geschickte Manipulation in Männchen und Weibchen die jeweilige Genversion des anderen Geschlechts zu aktivieren.

Während sich die Anatomie nicht änderte, zeigten die Fliegen ein drastisch verändertes Sexualgebaren. Die Weibchen begannen, wie Männchen um Taufliegen-Damen zu werben, indem sie fast das komplette Balzprogramm abspulten. Obwohl sie weiterhin weibliche Lockstoffe verströmten, wiesen sie die Avancen herkömmlicher Fliegenherren brüsk ab. Die umgepolten Männchen hingegen hatten durch das ausgetauschte Gen die Kunst, um ein Weibchen zu buhlen, scheinbar verlernt – wohl aber hatten sie Interesse an ihren Geschlechtsgenossen. „Wir konnten zeigen, dass ein einziges Gen bei den Drosophila-Fliegen alle Aspekte des sexuellen Verhaltens spezifiziert“, so Dickson.

Der Taufliege bleibt der Neurobiologe auch sonst treu: Er untersucht etwa, wie sich das Nervensystem der Fliege im Laufe der Embryonalentwicklung vernetzt. Jene Neuronen, die an der Balz mitwirken, will er ebenfalls genauer erkunden.

Den Kopf verdrehen will der amerikanische Jungforscher Bruno van Swinderen der Fliege nicht, aber immerhin einen Blick in ihn hineinwerfen: „Ich will herausfinden, ob und wie dieses Fenster zur Welt zu einer Art Protobewusstsein beiträgt.“ Bei seinen Experimenten leitet ihn die Annahme, was das Bewusstsein neben momentaner Aufmerksamkeit ausmacht: Gedächtnis. „Erlebtes und Erlerntes geben dem Bewusstsein Tiefe und Kontinuität. Vielleicht gibt es das in primitiver Form auch bei Fliegen“, meint van Swinderen. Könnten Fliegen etwa lernen, eine bestimmte Form eines Durchgangs auf Dauer zu meiden, wenn sie die Erfahrung gemacht haben, dass es dahinter lebensbedrohlich heiß sein kann? Ein solcher Lernprozess wäre ein beeindruckender Einsatz der Erinnerung, der über klassische Konditionierung hinausgeht.

Visuelle Fixierung. Allerdings rät der Direktor des Neurosciences Institute, der Medizin-Nobelpreisträger Gerald Edelman, davon ab, das Wort Bewusstsein in diesem Zusammenhang zu verwenden. Besser sei es, von „visueller Fixierung“ oder „selektiver Unterscheidung“ zu sprechen. Schließlich ist der letzte gemeinsame Vorfahre von Mensch und Taufliege ein Wurm mit wohl weniger als 300 Neuronen. Dennoch, spekuliert Greenspan, war womöglich schon damals das Fundament für das Bewusstsein gelegt. Mensch und Insekten fokussieren auf dieselbe Weise: Sie synchronisieren ihre Gehirnwellen und unterdrücken so andere Eindrücke. „Die Anatomie des Fliegenhirns unterscheidet sich zwar völlig von der eines Wirbeltiers“, so Greenspan. „Der funktionale Aufbau scheint jedoch sehr ähnlich zu sein.“

So sind bei Fliegen dieselben Gene für den Schlafrhythmus zuständig wie beim Menschen. Träumen Fliegen sogar? Van Swinderen und Greenspan wissen, dass die Fliege vor dem Einschlafen mit den Beinen strampelt, was sich aber kaum in der Neuronentätigkeit widerspiegelt. Greenspan nennt das unruhige Beinwerk schelmisch „Rapid Leg Movement“ als Gegenstück zum „Rapid Eye Movement“, das Träume beim Menschen begleitet. Ob die Insekten wirklich von Bananen träumen, ist ungewiss. „Ausschließen lässt es sich nicht“, meint van Swinderen. „Nur leider müsste uns eine Fliege das wohl selbst sagen, damit wir es glauben können.“

Von Hubertus Breuer