Beutelokalisation durch das Seitenliniensystem

Der Krallenfrosch Xenopus ist ein Räuber, der seine Beute bei Nacht fängt, indem er Bewegungen auf der Wasseroberfläche registriert. Wir stellen hier eine allgemeine Methode vor, ein "minimales" Modell, das auf einem Schätzer mit minimaler Varianz basiert. Es erklärt, wie der Frosch in der Lage ist, Beute aufgrund der an den Seitenlinienorganen zur Verfügung stehenden Information zu detektieren. Eine Rekonstruktion der Wellenform erlaubt es Xenopus, sowohl Richtung als auch Art der Beute zu bestimmen und sogar zwischen verschiedenen gleichzeitigen Wellenquellen zu unterscheiden.

Wir haben einen Trickfilm erstellt, der die durch den Krallenfrosch rekonstruierte Wasseroberfläche zeigt ( MPEG 7.8 MB , Quicktime 13 MB ) .

Links oben auf der gezeigten Wasseroberfläche befindet sich eine Wellenquelle mit der Frequenz 20 Hz, rechts oben mit der Frequenz 10 Hz. Das Video spielt in Zeitlupe mit einer Geschwindigkeit von 1/10. Der Krallenfrosch nimmt die Quellen der Wasserwellen in den Richtungen an, in denen die rekonstrierte Schwingung der Wasseroberfläche maximale Amplitude hat (rot dargestellt). Er ist in der Lage, sowohl die Richtungen (schräg links und schräg rechts), als auch die Frequenzen der Wellenquellen zu bestimmen (links höhere Frequenz als rechts).

Nach einem weiteren am Lehrstul entwickelten Modell (Franosch 2005) kann der Krallenfrosch auch durch Vergleich mit dem visuellen System lernen, die Informationen des Seitenlinensystems zu interpretieren. Die spezielle Form seiner Augen erlaubt es dem Frosch, in einem Rundumblick die Wasseroberfläche zu beobachten. Gleichzeitig mit dem Bild der Beute gelangen Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit an der Hautoberfläche des Frosches zu den zuständigen Nervenzellen. Diese verändern die Stärke ihrer Verbindungen zu den Geschwindigkeitsrezeptoren so, dass in Zukunft allein die Welle zur Aktivierung der Nervenzellen ausreicht. Das visuelle Bild benötigt der Frosch nicht mehr. Die für eine Richtung zuständige Nervenzelle wird nach dem Lernprozess nur dann aktiv, wenn die Wasserwelle aus der entsprechenden Richtung kommt, so dass die Aktivität der Nervenzellen die Richtung der Beute meldet.

Literatur:

Franosch JMP, Sobotka MC, Elepfandt A and van Hemmen JL. Minimal Model of Prey Localization through the Lateral-Line System. Phys Rev Lett 91:1581011-1581014 (2003) ( PDF 214 KB , PS GZip 234 KB )

Franosch JMP, Elepfandt A and van Hemmen JL. Minimal Model of Prey Localization through the Lateral-Line System , Poster presentation at the Göttinger Neurobiologentagung ( 2003 ) ( PDF 581 KB , PS GZip 1.2 MB , TeX 8 KB )

Good Vibrations Help a Frog Locate Tasty Prey, Physics News Update, number 653, September 12, 2003.

Frogs turn to physics, PhysicsWeb, 16 October 2003.

Vibrations help a frog locate tasty prey, Physics Today, vol. 56, issue 11, 2003.

Was geschieht wo auf der Wasseroberfläche?, Short News 2003-11-03, Physik Department, TU Munich.

Virtual Journal of Biological Physics Research, vol. 6, issue 8, October 15, 2003.

Beutefang durch Wellenformanalyse, Physik Journal 11/2003.

Hungrige Frösche als Rechenkünstler, spektrumdirekt, 17. September 2003.

Franosch JMP, Lingenheil M and van Hemmen JL. How a Frog Can Learn What is Where in the Dark. Phys Rev Lett 95:078106 (2005) ( PDF 148 KB )

African frog hunts with eyes wide shut, New Scientist 2514(2005) ( JPEG 489 KB , PDF 638 KB ) .

How a Frog Can Learn What Is Where in the Dark, Virtual Journal of Biological Physics Research Volume 10, Issue 4, August 15, 2005.

Leo van Hemmen, Wie funktioniert unser Gehirn?, Mitteilungen der Technischen Universität München, 3(2005), 44-45.

zuletzt geändert 2007-11-05 von webmaster@Franosch.org