Zeitung Heute : Entscheidungsfreudige Fliegen

Das Gehirn der Taufliegen kann sehr viel mehr als nur reagieren

Matthias Manych

In letzter Zeit wurde viel über den freien Willen des Menschen gestritten, und ausgerechnet Fliegen sollen nun möglicherweise über ihr Verhalten entscheiden können? Insekten, aber auch vielen anderen Tieren werden eigentlich nur simpelste Verhaltensmöglichkeiten zugestanden. Es gilt der Grundsatz: Alles Verhalten ist nur eine Reaktion auf Umweltreize. Motten fliegen ins Licht, Honigbienen folgen einem Blütenduft, und Fliegen landen auf dem Marmeladenbrötchen. Vor allem das Insektenverhalten wird demnach als Regelkreissystem betrachtet, bei dem sich zwar der eine oder andere Grundwert wie bei einem Heizungsthermostaten verändern lässt, im Wesentlichen aber ein Input-Output-Automatismus vorherrscht. Natürlich gibt es immer Abweichungen, die dann aber entschieden als Zufallsereignisse begründet werden – bisher.

Jetzt gerät das Dogma ins Wanken, weil die kleine Taufliege Drosophila melanogaster auch ohne äußeren Anlass ihre Flugrichtung nicht zufällig ändert, sondern sich spontan dazu entschließt. Das berichtet Björn Brembs vom Institut für Neurobiologie der Freien Universität Berlin gemeinsam mit internationalen Kollegen in der Online-Fachzeitschrift PloS (Public Library of Science) One. „Nach mehr als zehn Jahren Forschung hatte ich Zweifel, dass Gehirnfunktionen als Input-Output-Systeme beschrieben werden können“, sagt Brembs. Nur konnte der Neurowissenschaftler seine Bedenken nicht begründen, was ihn schließlich zu den aktuellen Arbeiten anspornte.

Brembs Labor gleicht einer Dunkelkammer, damit seine Taufliegen bei den Versuchen nicht abgelenkt werden. Hier installierte der Biologe eine Art Flugsimulator: Die Fliegen schweben an einem im Nacken aufgeklebten Draht in einem Zylinder von ungefähr fünf Zentimetern Durchmesser und Höhe. Die Fixierung erlaubt zwar keinen echten Flug, aber alle dafür nötigen Bewegungen. Da im Zylinder weißes Streulicht eindeutige optische Reize ausschließt, hat die Fliege kein Ziel, auf das sie zusteuern könnte. Der Draht ist mit einem Drehmomentmessgerät verbunden. Dieses registriert jede geringste Auslenkung, die entsteht, wenn das Insekt versucht, sich plötzlich ruckartig seitwärts zu bewegen. Auf diese Manöver, Sakkaden genannt, kam es Brembs an. Sie ergeben den typischen Zick-Zack-Flug etwa unter einer Lampe. Insgesamt 40 Taufliegen wurden so für jeweils 30 Minuten auf ihrem imaginären Flug beobachtet, jedes Mal zeichnete der Drehmoment-Kompensator etwa 40 000 Daten über Links-Rechts-Auslenkungen auf.

Zunächst erwarteten die Wissenschaftler bei der Datenauswertung ein Rauschen, also die rein zufällige Verteilung der Ergebnisse, mit der bisher unerwartetes Verhalten erklärt wurde. Denn Rauschen ist ein natürliches Phänomen: minimale Luftbewegungen und Duftspuren in der Umwelt oder diffuse Signale der Nervenzellen. Allein sind sie zu schwach, um bestimmte Verhaltensmuster auszulösen, sie können diese aber zufällig stimulieren – wie der Tropfen, der das Fass zum Überlaufen bringt. Schon die ersten mathematischen Analysen brachten eine Überraschung: Statt zufälliger Verteilung entstand eine ablesbare Struktur. Brembs zeigt auf ein Diagramm auf dem Monitor und erklärt: „Die Punkte entsprechen den ruckartigen Seitwärtsbewegungen. Wenn sie reine Zufallsereignisse wären, müssten alle Punkte, der Mathematik folgend, auf einer Linie liegen – das tun sie aber nicht.“

Ein Zufall allein reichte als Erklärung auf jeden Fall nicht mehr aus. Doch die Forscher blieben skeptisch. Jetzt könnte es sich noch um eine Kombination von Zufällen handeln. Deshalb wurde intensiv nach allen mathematischen Verfahren gefahndet, die auf das Problem angewendet werden können. In der Folge fütterte Alexander Maye, Informatiker vom Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf und zuständig für die Datenanalyse, weitere stochastische, also für Häufigkeiten und Wahrscheinlichkeiten entwickelte Computer-Modelle mit den Daten. Letzte Zweifel konnten aber erst ausgeräumt werden, als ein neues Verfahren der Ökologen und Mitautoren der Studie Georg Sugihara und Chih-hao Hsieh vom Scripps Ozeanografie-Institut in San Diego, Kalifornien, ausprobiert wurde. Diese aufwendige Operation ergab eine sogenannte nichtlineare Signatur. Der mathematische Begriff bedeutet nichts anderes, als dass Brembs Zweifel berechtigt waren.

Fliegen können nicht mehr als reine Input-Output-Roboter beschrieben werden, und Zufall, wie komplex er auch sein mag, reicht als Erklärung für die Variabilität von Verhalten nicht mehr aus. Das Flugverhalten der Fliegen musste einen völlig anderen Grund haben: Spontaneität, erzeugt durch biologische Prozesse im Gehirn. Ein Hauptmerkmal dieser Prozesse ist die Unvorhersehbarkeit. Damit entsteht für die Fliege ein entscheidender Überlebensvorteil, denn Fressfeinde wissen nie, welches Ausweichmanöver als nächstes kommt. Björn Brembs ist überzeugt: „Unvorhersagbare Spontaneität ist ein evolutionäres Prinzip der Gehirne aller Tiere.“

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