Drosophila melanogaster, das Kurzzeitgedächtnis und der Wildtyp Canton-Special. Eine Analyse mit Hochgeschwindigkeitskamera


Praktikumsbericht / -arbeit, 2020

20 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis:

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Fragestellung
1.2 Gedächtniskonsolidierung in Drosophila melanogaster
1.3 Zentrale Mustergeneratoren in Invertebraten

2 Material und Methoden
2.1 Aufzucht und Präparation der Fliegen
2.2 Fliegenstamm Canton-Special
2.3 Versuchsstruktur
2.4 Versuchsaufbau
2.4.1 Testarena
2.4.2 Übungsarena
2.5 Analyse des Kletterverhaltens
2.6 Statistische Auswertung

3 Ergebnisse
3.1 Statistische Tests
3.2 Boxplots

4 Diskussion
4.1 Lerneffekt des Trainings
4.2 Fehlerdiskussion

5 Zusammenfassung

6 Literaturverzeichnis

7 Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Fragestellung

Der durchgeführte Versuch beschäftigt sich mit der Frage, ob die Taufliege Drosophila melanogaster durch Übung und Konsolidierung in der Lage ist ihre Kletterleistung beim Überqueren einer Lücke zu verbessern. Dabei liegt der Fokus auf dem Kurzzeitgedächtnis (KZG) und damit der Fähigkeit, gelernte Verhaltensweisen nach kurzer Zeit zu wiederholen. Die Versuchsreihe beschäftigt sich außerdem mit der Frage, ob sich die Mutanten Drosophila melanogaster Stämme rutabaga und optomotoric-blind in ihrem Lernverhalten vom verwendeten Wildtypen Canton-Special (WT-CS) und untereinander unterscheiden. Dies ist allerdings nicht Teil dieses Protokolls.

1.2 Gedächtnisbildung in Drosophila melanogaster

Es ist davon auszugehen, dass Drosophila melanogaster fünf Gedächtnisstufen hat. Zu Beginn steht das Erlernen von Information. Die Nächste Stufe ist das zu untersuchende KZG. Darauf folgen Mittelzeitgedächtnis, anästhesieresistentes Gedächtnis und Langzeitgedächtnis (Dubnau und Tully 1998).

Drosophila melanogaster ist in der Lage gelerntes etwa eine Stunde im KZG zu behalten (Dubnau und Tully 1998). Der zugrundeliegende Mechanismus für das olfaktorische KZG ist bereits gut beschrieben und auch auf das motorische Lernen anwendbar. Es handelt sich hierbei um den cAMP-Signalweg. Dabei empfängt ein Kenyonzellneuron olfaktorische Eingänge im Calyx des Pilzkörpers. Der dadurch ausgelöste Calciumioneneinstrom aktiviert Calciumcalmodulin (CaM). Dieses bindet anschließend an die durch CaM und G-alpha doppelt regulierte Adenylylcyclase II (AC). Gleichzeitig erhält das Neuron den Eingang eines Modulatorneurons. Dieses schüttet den Neurotransmitter Dopamin aus. Je länger die Dopaminausschüttung anhält, desto länger hält die Signalkaskade an, was die Gedächtniskonsolidierung beeinflussen könnte. Dopaminerge G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (DA-R) werden dadurch aktiviert und geben G-alpha frei, welches anschließend auch an die AC bindet. Die dadurch aktivierte AC stellt cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) her, einen sekundären Botenstoff. cAMP aktiviert im Anschluss die Proteinkinase A (PKA), die dadurch in ihre regulatorischen und katalytischen Untereinheiten zerfällt. Die PKA phosphoryliert dann Kaliumhintergrundkanäle. Diese bleiben dadurch häufiger geschlossen und eine Depolarisation der Präsynapse ist bereits bei geringeren Reizstärken wahrscheinlicher, was eine Stärkung der Synapse für kurze Zeit bedeutet. Dieser Vorgang ist dem Kurzzeitgedächtnis zuzuordnen. Sollte dieser Mechanismus innerhalb von kürzeren Zeiträumen häufiger zu tragen kommen, wird so viel PKA aktiviert, dass diese das Response Element Binding Protein (CREB) aktiviert und dadurch Gene für Synapsenbestandteile exprimiert werden, welche die Synapse dauerhaft stärken (siehe Abbildung 1). Dieser Mechanismus ist dem Langzeitgedächtnis zuzuordnen (Davis 2005; Waddell und Quinn 2001).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: cAMP-Signalweg löst bei ausreichend häufiger Stimulation dauerhafte Veränderung der Synapse durch CREB aus (aus Krause et al., 2019)

1.3 Zentrale Mustergeneratoren in Invertebraten

Zentrale Mustergeneratoren (ZMG) sind Neuronenverbände, die rhythmische Bewegungen bei Invertebraten hervorrufen. Diese sich wiederholenden Bewegungsabläufe werden beispielsweise zum Schwimmen oder Laufen benötigt. ZMG's kommen ohne sensorische Eingänge aus und laufen autonom ab. Die Steuerung erfolgt über das zentrale Nervensystem (Marder und Bucher 2001). Auch das Kletterverhalten von Drosophila melanogaster wird durch ZMG's angetrieben (Kienitz 2010).

2 Material und Methoden

2.1 Aufzucht und Präparation der Fliegen

Die verwendeten Fliegen wurden bei 25°C in einer Klimakammer aufgezogen. Die Luftfeuchtigkeit betrug etwa 60% bei einem Tag-/Nacht-Rhythmus von 14 zu 16 Stunden. Den ausschließlich männlichen Fliegen, deren Standardnährmedium aus Wasser, Mais, Soja, Malzextrakt, Zuckerrübensirup, Agar-Agar, Bierhefe und Nipagin bestand, wurden am Vortag des Experiments die Flügel auf ein Drittel der Ursprungslänge gekürzt. Dadurch konnte ein Wegfliegen aus der Versuchsarena verhindert werden.

2.2 Fliegenstamm Canton-Special

Der Laborwildtyp Canton-Special ist ein Drosophila melanogaster Stamm aus der namensgebenden Stadt Canton im Bundesstaat Ohio in den USA. Er weist einen normalen Chromosomensatz und ein typisches Verhalten auf (Lindsley und Grell, 1968).

2.3 Versuchsstruktur

Die Versuchsdurchführung teilte sich bei jeder Fliege in vier Abschnitte auf. Zu Beginn eine erste Testphase, dann eine effektiv 60-sekündige Übungsphase, im Anschluss daran eine 20 bis 40-minütige Ruhe- bzw. Konsolidierungsphase und zum Schluss eine weitere Testphase. Fliegen, die die erste Testphase durchliefen wurden als naiv bezeichnet, nach der Konsolidierungsphase als trainiert. Die Kletterversuche der beiden Testphasen wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zur späteren Auswertung aufgezeichnet. Die Daten der ersten und zweiten Testphase wurden miteinander verglichen, um eventuelle Unterschiede erkennen zu können.

2.4 Versuchsaufbau

2.4.1 Testarena

Die Testarena befand sich innerhalb eines Pappzylinders, um ein Entkommen der Fliegen zu vermeiden (s. Abb. 2). In der Mitte der Arena stand eine umgedrehte, mit der Außenfläche nach oben zeigende Petrischale in einer größeren, mit Wasser gefüllten Petrischale. Das Wasser diente ebenfalls dem Zweck, die Fliegen am Entkommen zu hindern. Auf der oberen Petrischale stand mittig ein Lückenstein mit einer festen Lückenbreite von 3,0mm (s. Abb. 3). Der Aufbau wurde von einer Gene I Cam Model RM-6740GE Hochgeschwindigkeitskamera mit 133,33 Bildern pro Sekunde durch eine Öffnung im umgebenden Pappzylinder gefilmt (s. Abb. 4). Die Beleuchtung erfolgte von Oben mit einem Ringlicht. Die Fliegen sollten die Lücke in der Mitte der Arena überqueren und wurden dabei von der Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt, deren Aufnahmen anschließend ausgewertet wurden. Diese Auswertung diente der Bestimmung der Kletterqualität von naiven und trainierten Fliegen. Es wurden in jeder Testphase jeweils 10 erfolgreiche Kletterversuche pro Fliege durchgeführt.

2.4.2 Übungsarena

Die Übungsarena befand sich abermals innerhalb eines Pappzylinders. Dieser hatte auf der in die Arena zeigenden Seite vertikale, schwarz-weiße Streifen (s. Abb. 5). Der Zylinder konnte mittels eines Elektromotors im Kreis um die Arena rotiert werden, um für die darin befindliche Fliege eine Kreisbewegung der Umgebung zu simulieren. Der Versuch wurde nur mit einer Drehung nach Links durchgeführt. Im Inneren der Arena befand sich ebenfalls eine von Wasser umgebene Plattform aus Petrischalen, identisch zu der in der Testarena. Auf der Plattform befand sich ein Plastikring mit symmetrisch verteilten Lücken, mit einer Lückenbreite von ebenfalls 3mm (s. Abb. 6). Die Beleuchtung erfolgte abermals von oben mit einem Ringlicht. Durch die Rotation des äußeren Pappzylinders und dessen optischen Streifen, sollten die Fliegen dazu angeregt werden der vermeintlichen Bewegung entgegen zu wirken und die Lücken auf dem Ring nacheinander zu überqueren. Die Fliegen sollten jeweils 60 Sekunden effektiv trainieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Seitenansicht des Versuchsaufbaus der Testarena mit Hochgeschwindigkeitskamera (links), Pappzylinder (zentral) und Ringlicht (oben)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Testarena von Oben mit Lückenstein und umgebendem Wassergraben

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Frontansicht der Testarena mit Lückenstein und Wassergraben. Im Hintergrund die Hochgeschwindigkeitskamera

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Seitenansicht des Versuchsaufbaus der Übungsarena mit rotierbarem Streifenzylinder und darüber hängendem Ringlicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Übungsarena von Oben mit Lückenring, umgebendem Wassergraben und rotierbarem Streifenzylinder

2.5 Analyse des Kletterverhaltens

Die Analyse des Kletterverhaltens erfolgte anhand von drei Parametern:

1. Der Winkel einer Linie zwischen Proboscis und Abdomen zu einer waagerechten Linie (siehe Abb. 7). Dies diente der Analyse der Körperposition. Je waagerechter der Körper über der Lücke ist, desto effektiver ist der Kletterversuch, denn dann wird die Körperlänge besser zum Überqueren genutzt. Daher ist ein kleinerer Winkel effektiver.
2. Der Abstand zwischen mittleren und hinteren Beinpaaren. Je geringer der Abstand zwischen den Beinpaaren, desto besser erreicht die Fliege die andere Seite der Lücke, weil so die Kraft der Beine effektiver zum Klettern genutzt werden kann.
3. Der Abstand zwischen Abdomen und distaler Wand. Je größer der Abstand zwischen Abdomen und distaler Lückenwand ist, desto wahrscheinlicher erreicht die Fliege die andere Seite der Lücke, da so die Körperlänge besser genutzt werden kann.

Die Auswertung des Videomaterials erfolgte mit dem Programm Image J. Alle Ergebnisse sind in relativen Einheiten angegeben.

[...]

Ende der Leseprobe aus 20 Seiten

Details

Titel
Drosophila melanogaster, das Kurzzeitgedächtnis und der Wildtyp Canton-Special. Eine Analyse mit Hochgeschwindigkeitskamera
Hochschule
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Note
1,7
Autor
Jahr
2020
Seiten
20
Katalognummer
V1131618
ISBN (eBook)
9783346498595
ISBN (Buch)
9783346498601
Sprache
Deutsch
Schlagworte
drosophila, kurzzeitgedächtnis, wildtyp, canton-special, eine, analyse, hochgeschwindigkeitskamera
Arbeit zitieren
Falk Deegener (Autor:in), 2020, Drosophila melanogaster, das Kurzzeitgedächtnis und der Wildtyp Canton-Special. Eine Analyse mit Hochgeschwindigkeitskamera, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1131618

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