1.28.2.4 Olfactory Reversal in Nematodes
Wenn eine Stimulus-Response-Organisation des Verhaltens eine besondere evolutionäre Anpassung wäre, z.B. evolviert, um die Handlungsselektion in vorhersehbaren Situationen zu beschleunigen, dann kann man vielleicht Beispiele dafür in einem Tiermodell finden, wo wir einen Hinweis darauf haben, dass die Evolution die Wege von Stimuli zu Antworten gestrafft haben könnte. Einer der am besten untersuchten genetischen Modellorganismen und bisher das einzige erwachsene Tier mit einem vollständigen Konnektom seines Nervensystems ist der Fadenwurm Caenorhabditis elegans mit seinen 302 Neuronen. Das Konnektom von C. elegans wird von Feedforward-Verbindungen von sensorischen Neuronen zu motorischen Neuronen dominiert (Qian et al., 2011), so dass das Nervensystem dieses Fadenwurms vielleicht ein vielversprechender Kandidat ist, um „Antworten“ im wahrsten Sinne des Wortes zu finden.
Ein gut charakterisiertes Verhalten bei diesem Fadenwurm ist das Umkehrverhalten. Es tritt immer dann auf, wenn das Tier auf aversive Reize, wie zum Beispiel bestimmte Gerüche, trifft. Der Schaltkreis, der dieses Verhalten steuert, kann mit nur 4 Neuronen, ihren 44 chemischen Verbindungen und ihren elektrischen Synapsen beschrieben werden. Eine zentrale Komponente des Systems ist ein Neuron namens AVA. Wenn AVA aktiv ist, kehrt das Tier seinen Kurs um. Der sensorische Input für dieses Neuron wird von einem olfaktorischen Neuron, AWC, bereitgestellt. Wenn AWC zum Beispiel durch einen attraktiven Geruchsstoff stimuliert wird, hört es auf zu feuern, so dass AVA den erregenden Input verliert und ebenfalls aufhört zu feuern, was Umkehrungen unwahrscheinlicher macht. Umgekehrt erhöht die Aktivierung von AWC entweder experimentell oder durch einen aversiven Geruch die Wahrscheinlichkeit von Umkehrungen durch synaptische Aktivierung von AVA (Gordus et al., 2015). Zwei weitere Neurone sind an dieser Schaltung beteiligt, AIB und RIM, und die Charakterisierung ihrer Rolle in der Schaltung ist entscheidend für das Verständnis der Organisation des olfaktorisch vermittelten Umkehrverhaltens in C. elegans.
Die erste interessante Beobachtung aus der Schaltungskonnektivität ist, dass es mehr Verbindungen vom sensorischen AWC-Neuron zum AIB-Interneuron gibt als zum Umkehrneuron AVA. Dies ist unerwartet, wenn die Hauptfunktion des Nervensystems darin bestünde, sensorische Informationen an motorische Zentren weiterzuleiten. Die Abbildung dieses Schaltkreises in immobilisierten Würmern in Abwesenheit jeglicher Reize zeigt ein komplexes Muster korrelierter Aktivität in allen Neuronen. Interessanterweise weisen die Neuronen eine Art binären Aktivitätszustand auf, der größtenteils entweder an (Neuron ist aktiv) oder aus (Neuron ist inaktiv) ist. Wenn man die Aktivitätsschwankungen in diesem Schaltkreis quantifiziert, stellt man fest, dass es drei Hauptzustände (von den acht theoretisch möglichen) gibt, in denen der Schaltkreis häufig anzutreffen ist: Etwas mehr als 60 % der Zeit ist das System „ganz an“, etwa 20 % sind „ganz aus“ und in den verbleibenden 20 % befindet es sich im Zustand „nur AIB an“. Aus dieser Beobachtung ergeben sich zwei Erkenntnisse: Erstens kann diese Netzwerkdynamik auch ohne jegliche Stimulation spontane Umkehrungen erzeugen, ohne dass ein sensorischer Input erforderlich ist. Zweitens interagiert jeder olfaktorische Stimulus, der AWC erreicht, mit dem Zustand, in dem sich der Schaltkreis gerade befindet, anstatt in einem ruhenden Schaltkreis anzukommen und eine neuronale Aktivität auszulösen, die vorher nicht da war. Die Verhaltensfolge dieser Interaktion ist nicht nur das Auftreten von spontanen Umkehrungen, sondern auch das Auftreten von „spontanen“ Nicht-Umkehrungen in Gegenwart eines aversiven Geruchs. Mit anderen Worten, der Umkehrschaltkreis ist probabilistisch und ohne das Nervensystem des Wurms zu beobachten, ist es unmöglich zu sagen, wie spontan das beobachtete Verhalten tatsächlich ist.
Experimentelles Ausschalten eines oder beider Interneuronen in diesem Schaltkreis zeigt, dass die Rolle von AIB und RIM darin besteht, die Variabilität des Umkehrschaltkreises zu erhöhen. Während der Input in den Schaltkreis vom olfaktorischen Neuron AWC immer sehr präzise und vorhersagbar ist, wenn z. B. ein Geruch präsentiert wird, variiert die Aktivität des Umkehrschaltkreises immer signifikant und diese Variabilität wird reduziert, wenn AIB, RIM oder beide abgeschaltet werden (Gordus et al., 2015). Diese Entdeckung spricht dafür, dass RIM und AIB speziell in den Umkehrschaltkreis eingebaut werden, um die dringend benötigte Variabilität in einen ansonsten maladaptiv deterministischen Umkehrschaltkreis einzubringen. Überraschenderweise, obwohl die Feedforward-Verbindungen auch in diesem kleinen Schaltkreis die Konnektivität dominieren, dominiert die Variabilität, die durch die Feedback-Verbindungen bereitgestellt wird, ein adaptives Merkmal des Verhaltens, seine Variabilität. Diese Arbeit fügt C. elegans der immer länger werdenden Liste von Tieren hinzu, deren Nervensystem so organisiert ist, dass die laufende Aktivität durch äußere Reize lediglich moduliert wird. Im Fall des Fadenwurms scheint es so zu sein, dass von den vier Neuronen, die in diesem Schaltkreis enthalten sind, zwei nur aus dem Grund existieren, um die Auswirkungen von Reizen auf das Verhalten des Tieres abzuschwächen, um das Tier autonomer gegenüber seiner Umwelt zu machen. Wenn ein Tier mit nur 302 Neuronen, die wie bei allen anderen Tieren das energetisch aufwendigste Gewebe bilden, 50 % eines Schaltkreises dafür aufwendet, den Auswirkungen von Reiz-Reaktions-Verbindungen in seinem Nervensystem entgegenzuwirken, dann sind die Implikationen dieser Entdeckung für die Organisation des Verhaltens bei Tieren im Allgemeinen nicht zu unterschätzen.
Gegen die Vorstellung, dass ein Konnektom, das von Feedforward-Verbindungen von sensorischen zu motorischen Arealen dominiert wird, impliziert, dass es hauptsächlich motorischen Output aus sensorischem Input berechnet, ist also auch das Nervensystem von C. elegans am besten durch ständig wechselnde, fortlaufende Aktivität charakterisiert, ähnlich wie viele andere Nervensysteme, die in dieser Hinsicht bereits untersucht wurden. Es scheint, dass selbst eine numerisch kleine Rückkopplungskomponente einen fundamentalen Beitrag zur Gesamtarchitektur selbst solcher Feedforward-dominierter Netzwerke leistet. Was bedeutet dies für Gehirne, wie die von Säugetieren, deren Neuroanatomie von Rückkopplungsschleifen dominiert zu sein scheint?