Forschungsgruppe Verhaltensbiologische Neurowissenschaften

„Für mich geht es bei der Wissenschaftskommunikation darum, bei Kindern und Erwachsenen ein Gefühl des Staunens zu wecken und sie für unsere Forschung zu interessieren.“ Hanna Zwaka

Outreach

Als Wissenschaftlerin liegt mir das Thema Outreach besonders am Herzen. Die Verbindung zwischen Wissenschaft und Gesellschaft ist entscheidend für das Verständnis komplexer Themen und die Förderung von Neugierde und Engagement für Forschung. Durch Workshops, Vorträge und interaktive Veranstaltungen möchte ich die Begeisterung für Wissenschaft wecken und ein Verständnis für ihre Bedeutung vermitteln. Mir ist es dabei wichtig, dass alle Menschen die Möglichkeit haben, sich für die Naturwissenschaften zu interessieren und zu engagieren, unabhängig von ihrem Hintergrund oder Geschlecht. Es ist ein zentrales Anliegen in meinem Lab, Barrieren im MINT-Bereich abzubauen und Vielfalt, Gleichberechtigung und Inklusion zu leben.

Barrieren jeglicher Art abzubauen ist ebenfalls das Ziel des Mentorin-Programms The Social Scientist. Kontakt zu Vorbildern und die Möglichkeit, jede Frage stellen zu können, ermöglicht vielen Menschen mehr Zugang zu den Naturwissenschaften. Mentoring und Austausch, speziell für Frauen in diesem Bereich bietet das Harvard Graduate Women in Science and Engineering Programm. In beiden Netzwerken bin ich aktiv. 

Schlafentzug beeinflusst die Bewegungsstabilisierung bei Zebrafischlarven

Die Auswirkungen von Schlafmangel sind uns allen bekannt. Nach einer schlaflosen Nacht fühlen wir uns müde, träge und geistig benebelt. Nahezu jeder Aspekt unseres täglichen Lebens wird von Schlafmangel beeinflusst. Doch welche Prozesse führen zu diesen drastischen Auswirkungen des Schlafmangels? Welche Gehirnnetzwerke sind anfällig für Schlafentzug? Um diesen Fragen nachzugehen, habe ich in Kooperation mit den Laboren von Alexander Schier an der Universität Basel und Jason Rihel am UCL ein experimentelles Paradigma für Schlafentzug bei Zebrafischlarven entwickelt.

Zebrafischlarven haben sich als ein leistungsfähiges Modell zur Untersuchung des Schlafs bei Wirbeltieren erwiesen, da sie ein anatomisch und molekular konserviertes Wirbeltiergehirn besitzen. Dies ermöglicht es uns, die Aktivität einzelner Zellen am lebenden und sich verhaltenden Tier zu erfassen.

Unsere Forschung zeigt, dass sich das Verhalten von Zebrafischen verändert, wenn sie durch Licht am Schlaf gehindert werden. Bereits nach einer einzigen schlaflosen Nacht zeigten die Zebrafischlarven langsamere Bewegungen und eine verlängerte Reaktionszeit in einer einfachen Entscheidungaufgabe. Überraschenderweise verbesserte sich die Leistung der Larven mit Schlafentzug im Vergleich zu einer ausgeruhten Kontrollgruppe. Wir vermuten, dass die Tiere davon profitieren, in einem Entscheidungsmoment länger zu warten. Ihre längere Reaktionszeit gibt ihnen mehr Zeit gibt, Informationen aus ihrer Umwelt zu integrieren, bevor sie ihre Entscheidung treffen. Dieses Phänomen ist allgemein als speed accuracy trade-off bekannt.

Physikalisches Verständnis bei Zebrafischlarven

Um die evolutionären Ursprünge der Objektwahrnehmung zu erforschen, habe ich gemeinsam mit meinem Kollegen Andrew Bolton untersucht, ob ein eher primitives Wirbeltier, die Larve des Zebrafisches, auf das Vorhandensein von Hindernissen in ihrer Umwelt reagiert. Der Zebrafisch, der zu einem nützlichen Modell für die Untersuchung von neuronalen Schaltkreisen im Gehirn geworden ist, führt schnelle Fluchtschwimmbewegungen aus, wenn er von Raubtieren bedroht ist. Wir gingen davon aus, dass Kollisionen mit festen Objekten während der Flucht für den Zebrafisch lebensbedrohlich wären, und daher die Richtung der Fluchtbewegungen von der Position der Hindernisse beeinflusst wird. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Zebrafische auf nahegelegene Hindernisse achten, um Kollisionen während der Flucht zu vermeiden. Durch gezielte Verödung einzelner Neuronen konnte ich zeigen, dass visuelle Information letztendlich in einer erregenden Projektion auf ein einzigartiges Neuron, das sogenannte Mauthner-Neuron, enden, welches dafür verantwortlich ist, die Fluchtbewegungen des Zebrafisches von Hindernissen wegzulenken. Diese Ergebnisse belegen, dass Zebrafische ein naives Verständnis von Physik besitzen.

Gedächtniskonsolidierung im Schlaf bei Honigbienen

Schlaf spielt eine entscheidende Rolle bei der Festigung von neu erworbenen Gedächtnisinhalten nach dem Lernen. Während meiner Promotion habe ich mich damit auseinandergesetzt, ob die Rolle des Schlafs bei der Gedächtnisverarbeitung bei evolutionär weit entfernten Arten ähnlich ist.

Um diese Frage zu beantworten, entwickelte ich ein Schlafsystem für Honigbienen, bei dem einzelne Bienen in Echtzeit mithilfe von Bildverarbeitungssytemen verfolgt wurden, um ihnen während der Nacht gelernte Gerüche zu präsentieren. Gemeinsam mit einer Gruppe von Studierenden konnte ich nachweisen, dass bei Honigbienen die Darbietung eines Geruchs während des Tiefschlafs, der während des Lernens bereits präsentiert wurde, die Gedächtnisleistung am nächsten Tag verbessert. Hingegen führten die Präsentation dieses Kontextgeruchs während der Wachphasen oder die Präsentation neuer Gerüche während des Schlafs nicht zu einer Verbesserung der Gedächtnisleistung.

Beim Menschen kann analog eine Gedächtniskonsolidierung durch die Präsentation eines Kontextgeruchs während des Slow-Wave-Schlafs ausgelöst werden kann. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass Tiefschlafphasen bei Honigbienen das Potenzial haben, die Gedächtniskonsolidierung zu verbessern, ähnlich wie es beim Menschen der Fall ist. Diese Studie liefert überzeugende Belege für eine konservierte Rolle des Schlafs – und wie er Gedächtnisprozesse beeinflusst – von Insekten bis zu Säugetieren.

Gedächtnisverstärker in alter Heilpflanze

Kognitive Beeinträchtigungen können einen erheblichen Einfluss auf unsere Lebensqualität haben, und deren Prävention oder Bekämpfung ist von großem Wert. In Zusammenarbeit mit einem Team von Forschern am Leibniz-Institut für Neurobiologie, die mit Fliegen, Bienen und Ratten arbeiten, habe ich das Potenzial der Pflanze Rhodiola Rosea (Rosenwurz) erforscht, um kognitiven Beeinträchtigungen bei diesen Modellorganismen entgegenzuwirken.

Im Rahmen unserer Untersuchungen haben wir den Inhaltsstoff Ferulasäure-Eicosyl-Ester als gedächtnisfördernd identifiziert. Diese Erkenntnisse könnten das Potenzial für klinische Anwendungen eröffnen und somit einen bedeutenden Beitrag zur Prävention oder Behandlung von kognitiven Beeinträchtigungen leisten.

Lernen und Gedächtnis der Honigbiene

Insekten stellen ideale Modelle für die Erforschung von neuronalen Netzwerken dar, die verschiedenen Verhalten zu Grunde liegen. Trotz ihrer vergleichsweisen kleinen Gehirne bewältigen sie komplexe Aufgaben in ihren Umgebungen, einschließlich verschiedener Formen des Lernens wie klassisches und operantes Lernen. Ein dabei entscheidender Gehirnbereich ist der sogenannte Pilzkörper, der für die Gedächtnisbildung und sensorische Verarbeitung bei Insekten von Bedeutung ist.

In meiner Forschung habe ich bestimmte Klassen von Neuronen im Pilzkörper intrazellulär gefärbt, rekonstruiert und sie in einem 3D-Gehirnatlas der Honigbiene eingetragen. Diese Informationen habe ich genutzt, um die Morphologie der Neuronen abzuleiten.

Ein detailliertes Verständnis der neuronalen Anatomie im Insektengehirn ermöglicht es, Schaltkreismodelle für Lernen und Gedächtnis abzuleiten und diese Modelle mit physiologischen Daten zu überprüfen. In meiner Arbeit habe ich mich besonders mit der Frage beschäftigt, ob Neuronen im Pilzkörper während der klassischen Konditionierung eine Plastizitätsveränderung erfahren. Durch gleichzeitige Messung von Ca2+-Reaktionen in den Synapsen und konditionierten Verhaltensreaktionen auf gelernte Gerüche bei Honigbienen konnten wir eine belohnungsspezifische Plastizität während der Konditionierung feststellen. Dabei wurde die Hypothese aufgestellt, dass diese schaltungsspezifische neuronale Plastizität mit dem erlernten Wert des Reizes korreliert.

In weiterführenden Studien leistete ich Pionierarbeit durch die ersten neuronalen Aufzeichnungen bei stationär laufenden Honigbienen zur Untersuchung der neuronalen Korrelate des operanten Lernens. Durch die Entwicklung einer virtuellen Umgebung, die eine vereinfachte 3D-Welt für Honigbienen simuliert, konnte ich zeigen, dass diese Tiere gelernte Informationen aus dem freien Flug auf die virtuelle Welt übertragen. Bei der Suche nach neuronalen Verbindungen des operanten Lernens zeichnete ich die Neuronen des Pilzkörpers über mehrere Tage während des Lernens auf und entdeckte spezifische Veränderungen in der neuronalen Aktivität, die auf die belohnten und unbelohnten visuellen Reize abgestimmt waren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Pilzkörper bei der Honigbiene in den Prozess des operanten Lernens involviert ist.

Unser Labor ist offizieller Partner der Harvard University und pflegt eine enge Zusammenarbeit, um gemeinsam an der Erforschung des Schlafs bei Zebrafischen zu arbeiten. Dabei findet ein reger Austausch von Informationen und Arbeitskräften statt. Studierende haben die Möglichkeit, einen Teil ihrer Forschung direkt an der Harvard University durchzuführen.

Krishnan, K., Muthukumar, A., Sterrett, S., Pflitsch, P., Fairhall, A., Fishman, M., Bahl, A., Zwaka, H.* and Engert, F.* Attentional Switching in Larval Zebrafish: The Attentive Leaky Integrator. Researchsquare. Under review in Nature. *Contributed equally

2023

Kraus, A., Garcia, B., Ma, J., Herrera, K., Zwaka, H., Harpaz, R., Wong, R., Engert, F., Salinas, I.. Peripheral detection of viruses shapes brain immunity and behavior in zebrafish. Elife 2023

2022

Zwaka, H., McGinnis, O.J., Pflitsch, P., Prabha, S., Mansinghka, V., Engert, F., Bolton, A. Visual object detection biases escape trajectories following acoustic startle in larval zebrafish, Current Biology 2022

2019

Zwaka, H., Bartels, R., Lehfeldt, S., Jusyte, M., Hantke, S., Menzel, S., Gora, J., Alberdi, R., Menzel, R., 2019. Learning and its neural correlates in a virtual environment for honeybees. Front. Behav. Neurosci. 279. 

2018

Haenicke, J., Yamagata, N., Zwaka, H., Nawrot, M., Menzel, R., 2018. Neural correlates of odor learning in the presynaptic microglomerular circuitry in the honeybee mushroom body calyx. eNeuro 5.

Michels, B.*, Zwaka, H.*, Bartels, R., Lushchak, O., Franke, K., Endres, T., Fendt, M., Song, I., Bakr, M., Budragchaa, T., 2018. Memory enhancement by ferulic acid ester across species. Science Advances. 4, eaat6994. *Contributed equally

Zwaka, H., Bartels, R.*, Grünewald, B., Menzel, R., 2018. Neural organization of A3 mushroom body extrinsic neurons in the honeybee brain. Front. Neuroanat. 12, 57.

2016

Zwaka, H., Münch, D., Manz, G., Menzel, R., Rybak, J., 2016. The circuitry of olfactory projection neurons in the brain of the honeybee, Apis mellifera. Front. Neuroanat. 10, 90.

2015

Zwaka, H., Bartels, R., Gora, J., Franck, V., Culo, A., Götsch, M., Menzel, R., 2015. Context odor presentation during sleep enhances memory in honeybees. Current Biology. 25, 2869–2874.

Schallschmidt, K., Becker, R., Zwaka, H., Menzel, R., Johnen, D., Fischer-Tenhagen, C., Rolff, J., Nehls, I., 2015. In vitro cultured lung cancer cells are not suitable for animal-based breath biomarker detection. J. Breath Res. 9, 027103.