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Frucht im Fokus. Eine in einem indischen Labor fixierte Apfelfruchtfliege im Anflug auf einen virtuellen, in Bielefeld programmierten Apfelbaum. Foto: P. K. Kaushik
© P. K. Kaushik

Moderne Verhaltensforschung Wenn Fliegen fliegen und ihre Rechner rechnen

Man nehme ein Insekt, schnalle es gut an und setze ihm eine VR-Brille auf. So kann moderne Verhaltensforschung aussehen - und interessante Ergebnisse bringen.

Es ist noch nicht so lange her, da wurde der amerikanische Verhaltensforscher Michael Dickinson mit bahnbrechenden Versuchen zum Star seiner Branche. Er untersuchte Fliegen in einer Arena, auf deren Wänden er etwa Balken, Punkte und Striche in Bewegung setzen konnte.

So waren seinerzeit wahrhaft revolutionäre Rückschlüsse darauf möglich, was Insekten sehen und wie sie es verarbeiten – wie sie sich im Raum orientieren.

Dickinson ist nach wie vor ein Großer seiner Zunft, aber seine frühen Versuche wirken heute wie ein Atari-Telespiel im Vergleich zu einem interaktiven 3-D-Game.

Fliegen fliegen durch eine virtuelle Realität

Denn inzwischen kann man auch Fliegen durch sehr realistische „Virtual Realities“ fliegen lassen, und ihnen dazu noch andere Reize verpassen, etwa Düfte und Windbewegungen. Ein Forscherteam aus Indien – unterstützt durch den Virtual-Reality-Designer Marian Renz aus Bielefeld – stellt nun mit einer solchen Anlage gewonnene neue Erkenntnisse im Fachmagazin PNAS vor.

Die lassen zwar durchaus über die Wunder der modernen Experimentiertechnik staunen – aber nach wie vor noch mehr darüber, was diese kleinen Tiere mit ihren noch viel kleineren Gehirnen alles anstellen können.

Grüner Baum auf grünem Grund

Das Team um Shannon Olsson vom National Centre for Biological Sciences in Bengaluru befestigte Fliegen und Mücken aus vier verschiedenen Spezies in einer Flugarena mit Panorama-Bildschirm sowie Duft- und Wind-Düsen. Die sich aus den Versuchen ergebende Erkenntnis, dass etwa die Apfelfruchtfliege zielgerichtet virtuelle Apfelbäume anfliegt, mag zunächst nicht einmal so überraschend klingen.

Wenn man sich Bilder der Flugarena ansieht, so sind aber die belaubten Gehölze in der Graslandschaft nicht einmal besonders markant, doch die Fliegen erkannten sie recht sicher, auch ohne dass sie etwa zusätzlich per Apfelduft dorthin gelotst worden wären. Das spricht einerseits für eine ziemlich dem, was Tiere in einer realen Umwelt sehen würden ähnelnde Virtual Reality, andererseits spricht es für ein ziemlich ausgereiftes System der sogenannten „Mustererkennung“. Dass Fliegen so etwas können, weiß man schon seit Dickinson, und von Bienen weiß man es sogar schon länger. Aber ein schwarzes Viereck auf einer weißen Wand ist eben etwas anderes als ein grüner Baum auf grüner Wiese.

Krankheitsüberträger und Mistbienen

Ob ein Baum weit weg ist oder nah, können die Fliegen ebenfalls zuverlässig unterscheiden. Das weist darauf hin, dass sie nicht nur Objekte erkennen, sondern auch deren wahrgenommene Größe sowie Bewegungsparallaxe – entfernter Baum wandert langsamer durch das Gesichtsfeld als naher – verarbeiten können. Ähnliche Ergebnisse erbrachten die gleichen Experimente mit Gelbfiebermücken, einer Schnakenart und zu den Schwebfliegen gehörenden „Mistbienen“.

Dazu kamen dann bei der Apfelfliege noch Experimente mit Apfel- und sonstigen Düften sowie diese Moleküle bewegenden Luftströmen. Auch diese sensorischen Inputs wurden in den staubkorngroßen Gehirnen hocheffektiv integriert und verarbeitet.

Mit dem Wind, gegen den Wind

Es zeigte sich dann unter anderem eine ziemlich klare und wahrscheinlich sehr ökonomische Hierarchie von Verhaltensweisen: Wenn die Fliege einfach nur Wiese sieht, fliegt sie mal so mal so hin und her. Wenn der Wind weht, lässt sie sich mit ihm treiben. Wenn sie einen Baum mit Futter sieht, strengt sie sich aber auch gegen den Wind an – wenn der Baum nicht zu weit weg ist.

Als "Hauptunterschied" der Arbeit seines Teams zu den Ansätzen von Dickinson und mittlerweile vielen anderen sieht Shannon Olsson, "dass sich die meisten Studien zuvor mit der Biomechanik des Insektenflugs oder der neuronalen Basis des Insektenblicks befassten, wir uns jedoch dafür interessiert haben, welche Merkmale der natürlichen Welt Insekten benötigen, um Objekte zu lokalisieren und zu ihnen zu navigieren." Die neue Studie sei "die erste, die naturalistische 3D-Stimuli in Virtual Reality verwendet, um die Navigation fliegender Insekten zu verstehen", so Olsson gegenüber dem Tagesspiegel.

Von der Fliege rechnen lernen

Außer, dass das alles einfach interessant ist, könnten die Ergebnisse nach Ansicht der Forscher auch praktische Relevanz bekommen. Denkbar wäre etwa, Schadinsekten über eine Kombination wirksamer Reize von ihren Wirtspflanzen weg und hinein in ihr Verderben zu treiben. Das könnte vielleicht sogar helfen., Pestizide einzusparen. Bestäuber dagegen könnte man vielleicht gezielt anlocken.

Das wohl größte Versprechen der Riesenleistungen der Minihirne liegt aber in der Datenverarbeitung.

Ein Ziel etwa könnte es sein, in einem ersten Schritt zu verstehen, wie die Tiere es schaffen, mit jenem minimalen Platz auf der biologischen Festplatte derart effizient und schnell zu rechnen und zu reagieren. Daran arbeiten derzeit viele Forschergruppen. Der zweite Schritt wäre dann der Versuch, das System irgendwie auf Mikrochips nachzubauen. Gelänge das, dann bräuchte man für Quantensprünge in der Rechenleistung erst einmal gar keinen Quantencomputer.

„Fantastische experimentelle Entwicklung“.

Lars Chittka, der in London vor allem die Orientierungs- und Lernfähigkeiten von Bienen und Hummeln untersucht, nennt die Arbeiten seiner in Indien -forschenden Kollegen „eine fantastische experimentelle Entwicklung“. Sie erlaube es, „die Insektennavigation unter kontrollierten Bedingungen genau zu studieren“. Man komme so der Antwort auf „eine der ganz großen Fragen der Insektenforschung näher – wie die Tiere mit Kleinsthirnen eine so erstaunlich akkurate Navigation leisten" – und auch einer möglichen Anwendung.

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