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Verhaltensbiologie

Priv.-Doz. Dr. rer. nat.  Lars Lewejohann

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In der modernen Verhaltensbiologie verbinden wir klassische ethologische Ansätze mit neurowissenschaftlichen, genetischen, epigenetischen, physiologischen und evolutionsbiologischen Fragestellungen. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung von Gen-Umwelt-Interaktionen unter anderem  bei psychischen Erkrankungen (z.B. Angsterkrankungen und Demenz). Hier konnten wir zum Beispiel zeigen, dass eine Verbesserung der Haltungsbedingungen (kognitive und physische Stimulation) zu deutlichen Effekten bei einem Mausmodell der Alzheimer-Krankheit  führte. Wuchsen die Tiere in einem semi-natürlichen Großgehege auf, verschwanden viele Verhaltensauffälligkeiten, die diese Tiere üblicherweise zeigen, wenn sie wesentlich kleineren Standardkäfigen aufwachsen.

Unter den physisch und sozial angereicherten Bedingungen in einem großen seminatürlich gestalteten Käfig (4,5 Quadratmeter) kann das artspezifische Verhalten von Mäusen in nahezu vollem Umfang analysiert werden. Zusätzlich ist der Käfig mit Antennen ausgestattet, mit denen die Positionsdaten der Tiere automatisch erfasst werden können.

Gen-Umwelt-Interaktionen spielen darüber hinaus eine fundamentale Rolle bei der Entstehung und Aufrechterhaltung individueller Unterschiede im Verhalten: Wenn Mäuse in großen sozialen Gruppen gehalten werden, kommt es zwischen den Individuen zu einer starken Stratifizierung des Verhaltens. Neben den möglichen genetischen Komponenten, die den individuellen Unterschieden zugrunde liegen können, werden zunehmend auch nicht-genetische Faktoren, die zu verschiedenartigen "Persönlichkeitstypen" führen könnten, diskutiert. Auf diese Weise könnten zum Beispiel auch individuelle Unterschiede zwischen genetisch identischen Tieren aus Inzuchtlinien erklärbar werden. Einen solchen Zusammenhang zwischen Variabilität und "Animal personality" konnten wir tatsächlich aufzeigen. Die Daten legen damit nahe, dass die gefundene Varianz in den Daten mehr als eine nur zufällige Variabilität ist und durch Konzepte wie "Animal personality" erklärt werden kann. Hieraus ergebende sich letztendlich Grenzen für die Standardisierbarkeit tierexperimenteller Studien, die bei der zukünftigen Planung und Durchführung biomedizinischer Forschung bedacht werden müssen. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Anzahl neugebildeter Neurone im Hippocampus einen struktureller Plastizitätsmarker bei der Entstehung individualisierten Verhaltens darstellt  (Freund et al. 2013).

Die Maus, inklusive unzähliger Linien von transgenen und knockout Mäusen, ist mittlerweile der wichtigste Modellorganismus in der biomedizinischen Forschung. Die Verhaltenscharakterisierung der Tiere wird häufig in Testbatterien durchgeführt, die z.B. auf Ängstlichkeit, Lokomotion oder Lernen und Gedächtnis testen.

Apparaturen zu Durchführung standardisierter Kurztests. In einem Open-Field-Test (links) wird die lokomotorische Aktivität von Mäusen untersucht. Mit dem "Elevated-Plus-Maze" (mitte) und dem "Dark-Light-Test" (rechts) wird das angstähnliche Verhalten untersucht. Die Bewegungsdaten der Tiere werden mit einem selbstentwickelten Trackingsystem automatisiert erfasst.

Unterschiede innerhalb von Versuchsgruppen werden in der Regel als unerwünschte Varianz betrachtet. Um solche Varianz zu reduzieren, wurden enorme Anstrengungen zur Standardisierung unternommen. Zum Beispiel wurde durch das Züchten von Inzuchtlinien die genetische Variabilität minimiert. Auch wenn dies zur Verringerung der Variabilität geführt hat, bleibt festzuhalten, dass ein nicht unerheblicher Anteil inter-individueller Unterschiede der Standardisierung widersteht. In einem aktuellen, von der DFG geförderten Projekt (FOR 1232), werden Labormäuse als Tiermodell genutzt, um die Reduktion der phänotypischen Plastizität bezüglich definierter genetischer und umweltbedingter Variabilität zu untersuchen. Dazu werden Mäuse zweier Inzuchtstämme und der Nachwuchs aus Kreuzungen der beiden Stämme bis zur zweiten Generation untersucht. Die Untersuchungen beinhalten vielfältige Verhaltenstests, eine tiefgreifende automatisierte Verhaltenscharakterisierung inklusive verschiedener Lerntests durchgeführt sowie die Bestimmung von Stresshormonen und epigenetische Analysen.

Einen weiteren Schwerpunkt bilden Untersuchungen zur Immunabwehr und Alterung bei sozialen Insekten. Die Geschlechtstiere sozialer Insekten sind trotz ihrer hohen Fertilität außergewöhnlich langlebig. Wir untersuchen die zugrundeliegenden Mechanismen, insbesondere auch die Bedeutung von Immun-Genen bei Ameisen, sozialen Bienen und Termiten.

Der Nematode Caenorhabditis elegans eignet sich aufgrund der sehr kurzen Generationszeit von nur 2-3 Tagen hervorragend, um evolutionäre Prozesse in Echtzeit zu untersuchen.

Ein weiterer Themenbereich umfasst Parasit-Wirt Interaktionen. Hier sind
wir besonders daran interessiert, inwieweit Parasiten, die den gleichen
Wirt befallen, interagieren. Um den Wirt effizienter auszunutzen, können
Parasiten potentiell kooperieren oder sie können um die limitierten
Ressourcen konkurrieren. Je nachdem, wie die Parasiten interagieren,
sollte dies wiederum die Interaktion zwischen Parasit und Wirt, z.B. auf
Ebene der Virulenz beeinflussen Um Fragen dieser Thematik zu
beantworten, arbeiten wir mit dem Nematoden Caenorhabditis elegans und
dem Bakterium Bacillus thuringiensis.

Dieses Modellsystem ermöglicht uns nicht nur, die Fragestellung über einen Infektionszyklus zu studieren, sondern auch, wie sie über die Zeit evolvieren. So können wir zum Beispiel den Einfluss von Mehrfachinfektionen im Vergleich zu Einzelinfektionen auf die Evolution von Parasit und Wirt zu untersuchen, oder auch den Einfluss der Wirtsevolution auf die Interaktion zwischen den Parasiten. Wir haben herausgefunden, dass es in diesem Modellsystem prinzipiell vorteilhaft für die Parasiten ist, wenn sie mit einem anderen Stamm zusammen infizieren. Bei der Ausbeutung des Wirtes stehen unterschiedliche Stämme dann allerdings in Konkurrenz zueinander. Außerdem verlieren Mehrfachinfektionen im Laufe der Evolution an Virulenz, welches Konsequenzen für die Evolution der Wirte nahelegt. Neben der phänotypischen Analyse werden die evolvierten Populationen auch mit modernen genomischen Methoden (whole genome population sequencing, transcriptome sequencing) analysiert.

Literaturauswahl

  • Freund, J., Brandmaier, A.M., Lewejohann, L., Kirste, I., Kritzler, M.,Krüger, A., Sachser, N., Lindenberger, U., Kempermann, G. (2013) Emergence of Individuality in Genetically Identical Mice. Science 340, 756-759.
  • Hohoff, C., Gorji, A., Kaiser, S., Willscher, E., Korsching, E., Ambrée,O., Arolt, V., Lesch, KP., Sachser, N., Deckert, J., Lewejohann, L.(2013) Effect of acute stressor and serotonin transporter genotype on amygdala first wave transcriptome in mice. PLoS ONE 8(3), e58880.
  • Schulte, R.D., Hasert, B., Makus, C., Michiels, N.K., Schulenburg, H. (2012) Increased responsiveness in feeding behaviour of Caenorhabditiselegans after experimental coevolution with its microparasite Bacillus thuringiensis. Biol. Lett. 8, 234-236.
  • Lewejohann, L., Zipser, B., Sachser. N. (2011) 'Personality' in laboratory mice used for biomedical research: a way of understandingvariability? Developmental Psychobiology 53, 631-640.
  • Schlüns, E.A., Wegener, B.J., Schlüns, H., Azuma, N., Robson, S.K.A., Crozier, R.H. (2009) Breeding system, colony and population structure in the weaver ant Oecophylla smaragdina. Mol. Ecol. 18, 156-167.