Michael Dickinson: Wie eine Fliege fliegt

Die Flugfähigkeit eines Insektes ist vielleicht eine der größten Leistungen der Evolution. Michael Dickinson beobachtet, wie eine gewöhnliche Stubenfliege mit solch zarten Flügeln fliegt –einer cleveren Schlagbewegung sei dank und Flugmuskeln, die sowohl leistungsstark als auch wendig sind. Aber die geheime Zutat ist: das unglaubliche Gehirn der Fliege. (gefilmt in TEDxCaltech.)

Ich bin mit Star Trek aufgewachsen.
Ich liebe Star Trek.

Wegen Star Trek wollte
ich Aliens sehen,

Kreaturen von einer weit
entfernten Welt.

Aber dann fand ich heraus,

dass ich Aliens direkt auf
der Erde finden konnte.

Ich studiere nämlich Insekten.

Ich bin besessen von Insekten,
besonders von ihrem Flug.

Ich halte die Entwicklung
des Insektenflugs

für eines der wichtigsten Ereignisse
in der Geschichte des Lebens.

Ohne Insekten gäbe es keine
blühenden Pflanzen.

Ohne blühende Pflanzen gäbe es keine

cleveren, fruchtessenden
Primaten, die TEDTalks halten.

(Lachen)

Nun,

David, Hidehiko und Ketaki

erzählten eine fesselnde
Geschichte über

die Gemeinsamkeiten von
Fruchtfliegen und Menschen,

und da gibt es viele.

Und wenn sich beide ähnlich sind,
könnte man denken,

dass eine Fruchtfliege vielleicht
das hier am liebsten macht –

(Lachen)

aber in meiner Rede möchte ich
nicht die Gemeinsamkeiten

von Menschen und Fruchtfliegen herausstelllen,
sondern eher ihre Unterschiede

und mich auf die Verhaltensweisen konzentrieren,
in denen Fruchtfliegen hervorragend sind.

Ich möchte Ihnen eine
Hochgeschwindigkeits-Videosequenz zeigen,

in der man eine Fliege mit 7 000 Bildern
pro Sekunde in Infrarotlicht sieht,

und rechts, außerhalb des Bildes,
ist ein elektronisches Raubtier,

das die Fliege angreift.

Die Fliege nimmt
den Räuber wahr.

Sie breitet ihre Beine aus

und huscht weg,

um einen weiteren Tag zu leben.

Diese Sequenz hat
bewusst die Länge

eines menschlichen
Augenblinzelns.

In der Zeit, die Sie zum Blinzeln brauchen,

hat die Fliege dieses
bedrohliche Raubtier gesehen,

seine Position abgeschätzt
und die Flucht eingeleitet,

während ihre Flügel 220 Mal
pro Sekunde schlagen.

Ein faszinierendes Verhalten, das zeigt,

wie schnell die Fliege Informationen verarbeitet.

Was braucht man zum Fliegen?

Um zu fliegen, genau wie
in der Luftfahrt,

braucht man Flügel, die ausreichende
aerodynamische Kräfte entwickeln können,

man braucht einen Antrieb,
der genug Energie zum Fliegen erzeugt

und man braucht Steuerung.

Und im ersten Flugzeug
war die Steuerung

das Gehirn von Orville und
Wilbur, die im Cockpit saßen.

Wie verhält sich das bei der Fliege?

Einen Großteil meiner frühen Karriere
wollte ich herausfinden,

wie die Flügel der Insekten genug Kraft
generieren, um sich in der Luft zu halten.

Vielleicht haben Sie
vom Beweis gehört,

dass Hummeln
nicht fliegen können.

Das Problem war die Annahme,
dass Insektenflügel

so funktionieren wie Flugzeugflügel.
Aber das ist nicht so.

Und wir bauten für dieses Problem
einen dynamisch

skalierten Riesen-Insekten-Roboter,

der in riesigen Mineralölpools flatterte,

um die aerodynamischen Kräfte
untersuchen zu können.

Wir fanden heraus, dass
Insekten ihre Flügel

sehr intelligent schlagen,
mit einem hohen Anstellwinkel,

der an der Vorderkante
eine Struktur schafft,

eine tornadoartige Struktur,
die Vorderkantenwirbel heißt.

Und dieser Wirbel lässt die Flügel
genügend Kraft erzeugen,

damit das Tier sich in der Luft halten kann.

Aber das Faszinierendste

ist nicht die interessante
Flügelmorphologie.

Das Clevere dabei
ist das Flügelschlagen,

das letztendlich vom
Nervensystem kontrolliert wird.

Und dies ermöglicht Fliegen diese

eindrucksvollen Flugmanöver.

Aber wie verhält es sich mit dem Motor?

Der Motor der Fliege
ist absolut faszinierend.

Sie haben 2 Typen
an Flugmuskulatur:

der Kraftmuskel wird
durch Strecken aktiviert,

er aktiviert sich also selbst
und bedarf nicht bei

jeder einzelnen Kontraktion
die Steuerung des Nervensystems.

Er generiert die enorme Kraft,
die für das Fliegen nötig ist,

und macht den mittleren Teil einer Fliege aus.

Bei einer Fliege auf Ihrer Windschutzscheibe

sehen Sie im Prinzip also ihren Kraftmuskel.

Aber an der Flügelbasis

ist ein Satz kleiner Kontrollmuskeln,

die gar nicht stark sind,
aber dafür sehr schnell,

und die in der Lage sind,
das Flügelscharnier

Schlag für Schlag
zu rekonfigurieren

und das befähigt Fliegen dazu,
ihre Flügel zu ändern

und die aerodynamischen
Kräfte zu generieren,

die den Lauf der Flugbahn ändern.

Und das Nervensystem
steuert natürlich alles.

Sehen wir uns die Steuerung an.

Fliegen haben Unmengen
dieser Sensoren

zur Problemlösung.

Sie haben Antennen, die Düfte
und Windströme wahrnehmen.

Ihr ausgeklügeltes Auge ist

das schnellste visuelle System
unseres Planeten.

Auf dem Kopf haben sie
noch einen Satz Augen.

Wir haben keine Ahnung, wozu.

Sie haben Sensoren auf ihren Flügeln.

Ihre Flügel sind mit Sensoren
übersät, einige können auch

eine Flügeldeformation erkennen.

Sie können sogar
mit ihren Flügeln schmecken.

Einer der ausgeklügeltsten
Sensoren einer Fliege

ist eine Struktur namens "Halteren".

Halteren sind Gyroskope.

Sie schlagen während des Fluges
mit einer Frequenz von 200 Hertz

und die Fliege kann damit ihre
Körperdrehung erfühlen

und sehr schnell
Korrekturmanöver einleiten.

Aber all diese sensorischen
Informationen brauchen

ein Gehirn. Ja, Fliegen
haben ein Gehirn

mit etwa 100.000 Nervenzellen.

Einige Konferenzteilnehmer

deuteten bereits an, dass Fruchtfliegen
der Neurowissenschaft dienen können,

weil sie ein simples Modell
einer Gehirnfunktion besitzen.

Das Verblüffende an meinem Vortrag ist aber,

dass ich das auf den Kopf stellen möchte.

Ich halte sie überhaupt nicht
für ein simples Modell.

Fliegen sind ein großartiges Modell.

Ein großartiges Modell für Fliegen.

(Lachen)

Lassen Sie uns diese Vorstellung
der Einfachheit untersuchen.

Unglücklicherweise sind
viele der Neurobiologen

irgendwie narzisstisch.

Bei Gehirnen denken wir
natürlich an unser eigenes.

Aber erinnert euch,
dass diese Art Gehirn

viel, viel kleiner ist –

statt 100 Milliarden Nervenzellen
hat es 100.000 –

aber es ist die häufigste
Gehirnform auf der Erde,

und dies seit 400 Millionen Jahren.

Und ist es dann fair zu behaupten,
dass es simpel ist?

Gut, es hat viel weniger Nervenzellen,

aber ist das ein faires Maß?

Nein, würde ich sagen, ist es nicht.

Überlegen wir mal.
Wir müssen vergleichen ...

(Lachen)

wir müssen die Größe
des Gehirns vergleichen

mit dem, was das Gehirn kann.

Ich schlage also eine Trump-Zahl vor,

also ist das Verhältnis
des Verhaltensrepertoires

dieses Mannes im Vergleich
zur Anzahl seiner Neuronen.

Wir kalkulieren die Trump-Zahl
der Fruchtfliege.

Wie viele Leute denken hier,
dass die Trump-Zahl

der Fruchtfliege größer ist?

(Applaus)

Ein sehr, sehr schlaues Publikum.

Ja, die Ungleichheit geht in diese Richtung.

Es ist natürlich ein bisschen absurd,

das Verhaltensrepertoire eines Menschen
mit dem einer Fliege zu vergleichen.

Aber nehmen wir ein anderes Tier.
Eine Maus zum Beispiel.

Eine Maus hat tausendmal mehr
Nervenzellen als eine Fliege.

Früher erforschte ich Mäuse. Damals

sprach ich immer ganz langsam.

Aber dann, als ich mit Fliegen arbeitete ...

(Lachen)

Und die Naturgeschichte von
Mäusen und Fliegen

ist wirklich vergleichbar.
Sie müssen Futter suchen.

Sie müssen sich in der Balz einbringen.

Sie haben Sex. Sie verstecken sich vor Räubern.

Sie machen viele ähnliche Sachen.

Aber ich würde behaupten,
Fliegen tun mehr.

Beispielsweise zeige ich
Ihnen jetzt eine Sequenz

und ich muss gestehen,
dass das Militär einiges finanziert,

Ich zeige also diese geheime Sequenz

und Sie dürfen außerhalb
dieses Saals nicht darüber reden, ok?

Achten Sie auf den Ballast

am Hinterteil der Fruchtfliege.

Beobachten Sie ihn genau,

und Sie werden wissen,
warum mein 6-jähriger Sohn

nun Neurowissenschaftler
werden möchte.

Gleich kommt's ...

Pschiuuu!

Vielleicht sind Fliegen
nicht so klug wie Mäuse,

aber doch mindestens so
klug wie Tauben. (Lachen)

Es geht hier also nicht nur
um reine Zahlen, sondern auch

um die Herausforderung für die Fliege,

wenn sie alles mit winzigen
Nervenzellen berechnen muss.

Dies ist ein schönes Bild der optischen
Interneurone einer Maus

vom Labor von Jeff Lichtman.

Sie können die wunderbaren
Bilder von Gehirnen sehen,

die er in seinem Vortrag zeigte.

Aber in der rechten oberen Ecke sehen Sie

im gleichen Maßstab
das optische Interneuron einer Fliege.

Und ich vergrößere dies.

Eine wunderbar
komplexe Nervenzelle.

Sie ist superklein und beim es gibt viele
biophysische Herausforderungen

beim Berechnen von Informationen
mit winzigen Neuronen.

Wie klein kann eine Nervenzelle sein?
Schauen Sie sich dieses Insekt an.

Sieht aus wie eine Fliege.
Es hat Flügel, Augen,

Antennen, Beinchen,
eine komplizierte Lebensgeschichte.

Dieser Parasit muss herumfliegen
und Raupen finden,

um sie zu parasitieren.

Sein Gehirn ist nur so groß
wie ein Salzkorn,

was mit dem der Fruchtfliege
vergleichbar wäre.

Er ist so groß wie ein Salzkorn.

Hier sehen Sie andere Organismen
im gleichen Maßstab.

Dieses Tierchen hat
die Größe einer Amöbe

und ein Gehirn mit 7.000 Nervenzellen,
das so klein ist –

Sie haben sicher schon mal
von den Zellkörpern gehört,

worin sich der Kern
der Nervenzelle befindet?

Dieses Tier hat keine, weil
sie zu viel Platz verbrauchen.

Hier sind also die Grenzen
der Neurowissenschaft.

Die Neurowissenschaft sollte erforschen,
wie das Gehirn dieses Dings funktioniert.

Denken wir mal nach. Wie veranlassen
wir wenige Nervenzellen, viel zu machen?

Aus einer Ingenieursperspektive denkt man

vielleicht an Mehrfachnutzung.

Man kann die Hardware verschiedene Dinge

zu verschiedenen Zeiten tun lassen.

Oder eine Hardware führt
verschiedene Dinge aus.

Das sind die beiden Konzepte,
die ich erforschen möchte.

Und sie sind mir nicht selbst eingefallen,

sondern anderen vor mir.

Eine Idee kommt vom Kauen der Krebse

und ich meine nicht, dass wir Krebse kauen.

Ich bin aus Baltimore und
kann Krebse sehr gut zerkauen.

Aber ich rede von Krebsen,
die selber kauen.

Das Kauen der Krebse ist faszinierend.

Krebse haben diese komplizierte
Struktur unter ihrem Panzer,

die Magenmühle heißt

und ihre Nahrung auf
verschiedenste Art zermalmt.

Hier sehen Sie einen endoskopischen
Film dieser Struktur.

Am erstaunlichsten daran ist, dass sie

von einem minimalen Neuronensatz,
etwa zwei Dutzend, kontrolliert werden,

die eine ganze Reihe verschiedener
Bewegungsmuster produzieren,

und der Grund dafür ist
dieser kleine Nervenknoten,

der von vielen Neuromodulatoren
quasi überschwemmt wird.

Sie haben schon vorher
von Neuromodulatoren gehört.

Es gibt mehr Neuromodulatoren,

die diese Struktur verändern,
als es in ihr Nervenzellen gibt.

Und sie können eine Anzahl
komplizierter Muster generieren.

Das ist die Arbeit von Eve Marder
und ihrer vielen Kollegen,

die dieses faszinierende
System erforscht haben.

Es zeigt, wie eine kleine Neuronengruppe

so viele Sachen machen kann,

wegen der Neuromodulation, die zu
jedem Zeitpunkt stattfinden kann.

Grundsätzlich ist das eine
zeitliche Mehrfachnutzung.

Nehmen wir ein Neuronennetzwerk
mit einem Modulator.

Sie selektieren einen Zellsatz, um
irgendein Verhalten auszulösen,

ein anderer Neuronenregler
hat einen anderen Zellsatz

und Muster und Sie können sich denken,

dass dies in einem äußerst
komplizierten System funktioniert.

Gibt es irgendwelche Anhaltspunkte,
dass Fliegen so etwas tun?

Lange Zeit wurde in meinem Labor
und vielen anderen weltweit

das Verhalten der Fliegen in
kleinen Flugsimulatoren erforscht.

Man bindet eine Fliege an ein Stöckchen

und misst die aerodynamischen Kräfte.

Sie können die Fliege
ein Videospiel spielen lassen,

indem Sie sie in einer visuellen
Anzeige herumfliegen lassen.

Hier sehen Sie eine kleine Sequenz.

Hier ist eine Fliege

und eine große Infrarotansicht
der Fliege im Flugsimulator

und dieses Spiel hier findet die Fliege toll.

Sie lassen sie in die Richtung
der kleinen Streifen bewegen

und sie wird es für immer tun.

Es ist Teil ihres visuellen
Orientierungssystems.

Aber seit kurzem ist es möglich,

diese Verhaltensspielräume
für die Physiologie zu modifizieren.

Diese Versuchsanordung hat eine
meiner Postdoktoranden,

Gaby Maimon, jetzt an der
Rockefeller University, entwickelt.

Es ist eigentlich ein Flugsimulator,

bei dem man eine Elektrode im Gehirn

der Fliege anbringen kann
und dann eine Aufzeichnung

einer genetisch identifizierten
Nervenzelle machen kann

Und so sieht ein solches Experiment aus:

Diese Sequenz ist von einer
anderen Postdoktorandin,

Bettina Schnell.

Die grüne Spur unten ist das Membranpotential

einer Nervenzelle im Gehirn einer Fliege.

Die Fliege beginnt zu fliegen und man sieht sie

die Rotation des visuellen Musters mittels ihrer

Flügelbewegung kontrollieren.

Dieses visuelle Interneuron

reagiert auf die Flügelbewegung der Fliege.

Wir konnten also
zum ersten Mal Nervenzellen

im Gehirn der Fliege aufzeichnen –

während sie ein anspruchsvolles
Verhalten zeigt wie das Fliegen.

Und wir haben gelernt,

dass die Physiologie der Zellen,
die wir jahrelang

bei ruhenden Fliegen erforschten,

nicht dieselbe wie bei den Zellen ist,

wenn die Fliegen sich aktiv verhalten,

also fliegen oder laufen usw.

Und warum ist diese Physiologie anders?

Wegen der Neuromodulatoren,

wie diese in den kleinen
Nervenknoten der Krebse.

Hier sehen Sie das Octopamin-System.

Octopamin ist ein Neuromodulator,

der beim Flug und anderem Verhalten
sehr wichtig zu sein scheint.

Aber dies ist nur einer von vielen

im Gehirn der Fliege.

Je mehr wir also von ihnen lernen,

desto mehr wird sich herausstellen,
dass ihr Gehirn

nur eine große Version dieses
Magennervenknotens ist.

Und das erklärt mit, warum es so viel
mit so wenig Nervenzellen anstellen kann.

Eine andere Art von Mehrfachnutzung wäre

die räumliche Mehrfachnutzung:

verschiedene Teile der Nervenzelle

machen verschiedene Sachen gleichzeitig.

Hier sind zwei Arten von
gewöhnlichen Nervenzellen

von Wirbeltieren und Wirbellosen,

eine menschliche pyramidenförmige
Nervenzelle von Ramón y Cajal

und rechts davon eine
nicht spikende Interneurone,

das Werk von Alan Watson
und Malcolm Burrows.

Malcolm Burrows kam auf die interessante Idee,

die darauf basiert, dass
die Nervenzelle einer Heuschrecke

keine Aktionspotentiale abfeuert.

Eine nicht spikende Zelle.

Eine typische Zelle wie die in unserem Gehirn

hat eine Region, die Dendriten,
die den Input erhalten,

und dieser Input summiert sich

und wird Aktionspotentiale auslösen,

die dann unterhalb des Axons verlaufen und

all die Output-Areale der Nervenzelle aktivieren.

Aber nicht spikende Neuronen
sind gerade sehr kompliziert,

denn sie können sowohl Input-
als auch Output-Synapsen haben,

alle miteinander verzahnt
und ohne alleiniges Aktionspotential,

das alle Outputs zur selben Zeit auslöst.

Vielleicht gibt es also Rechenabteilungen,

die den verschiedenen Teilen
einer Nervenzelle erlauben,

verschiedene Dinge gleichzeitig zu tun.

Dies sind also Grundkonzepte
der Mehrfachnutzung

sowohl zeitlich als auch räumlich.

Ich denke, diese Dinge treffen
ebenso für unser Gehirn zu,

aber die Insekten sind
darin die wahren Meister.

Ich hoffe also, dass Sie das nächste Mal
anders über Insekten denken

und bitte denken Sie nach,
bevor Sie sie zerquetschen.

(Applaus)