Von Grillen lernen

Der Wind pfeift durch das Gras, und die Grille sitzt ruhig am Boden. Da nähert sich eine Wolfsspinne, bereit zur Attacke – und das nahezu lautlos, im Vergleich zum Rascheln der Blätter und Halme. Aber die Grille spürt die charakteristischen Vibrationen durch den Räuber, blitzschnell bringt sie sich in Sicherheit. „Wie die Grille es schafft, in einer lauten Umgebung solche leisen Signale herauszufiltern, das würden wir gern genauer verstehen, auch damit wir es für technische Anwendungen nutzen können“, sagt Professor Dr. Andreas Offenhäusser vom Institut für Bio- und Nanosysteme am Forschungszentrum Jülich. Der Physiker koordiniert das europäische Projekt CILIA (Customized Intelligent Life-inspired Arrays), an dem Experten aus Biologie, Physik und Ingenieurwissenschaften aus den Universitäten in Bonn und München (TUM), Antwerpen, Belgien, und Twente aus den Niederlanden, aus dem dänischen Odense, dem britischen Reading, dem französischen Tours und aus Shandong in China beteiligt sind.

Grillen, Fische, Fledermäuse und viele andere Lebewesen nutzen oft mehrere hundert empfindliche Sensoren, um sich zu orientieren oder Gefahren schnell zu erkennen. Dabei sind sowohl die geometrische Anordnung dieser Sensoren als auch die nachgeschaltete Verarbeitung der eingehenden Signale in Nervenzellen entscheidend dafür, wie effizient das Sensornetzwerk die wichtigen Signale aus dem Rauschen herausfiltert. Verglichen mit den Leistungen der Natur ist die Technik noch sehr primitiv und erreicht selbst mit mehr Aufwand an Bauelementen und mehr Einsatz an Energie ein deutlich schlechteres Ergebnis. Das erlebt jeder Hörgeräteträger, der sich auf einer lauten Party auf ein Gespräch konzentrieren möchte.

Der „Gefahrendetektor“ bei der Grille ist ein gabelförmiges Organ am Hinterleib (Cerci), das mit einigen hundert feiner Härchen besetzt ist. An den Haarwurzeln sitzen Nervenzellen, die durch die Auslenkung der Haare den Luftstrom messen. Diese Signale werden in einem Nervenknoten im Hinterleib der Grille verarbeitet, der aus nur wenigen hundert Nervenzellen besteht. Hier werden bereits unwichtige Informationen herausgefiltert, vermuten die Wissenschaftler, so dass die nachgeschalteten Nervenzentren nicht mit Daten überlastet werden und schnell die lebensrettenden Reflexe auslösen können. „Wir interessieren uns vor allem für die Prinzipien, die Sensorsystemen von unterschiedlichen Lebewesen gemeinsam sind, weil wir daraus am meisten lernen können“, erklärt Offenhäusser.

Die Kollegen im französischen Tours simulieren im Labor die Luftbewegungen in unterschiedlichen ökologischen Situationen und testen, wie die Grille darauf reagiert. „Diese Versuche sind für uns sehr wichtig, damit wir wissen, wie die Eingangssignale aussehen, die im Nervenknoten verarbeitet werden“, erklärt Offenhäusser. Die Ingenieurwissenschaftler an der Universität Twente haben sogar bereits künstliche Sensoren nach dem Modell der Grillenhaare gebaut, die sie auch nach dem Vorbild Grille anordnen. Damit können sie untersuchen, wie die Sensoren zusammenwirken.

Offenhäusser und sein Team arbeiten daran, die Signalverarbeitung im Nervenknoten des Grillenhinterleibs zu entschlüsseln. Sie untersuchen sowohl an lebenden Grillen als auch an einzelnen Nervenzellen, wie Signale weitergeleitet werden und wie sich die Nervenzellen zu einem neuronalen Netz verschalten, das aus dem eingehendem „Lärm“ die richtige Reaktion errechnet. Dafür bringen sie Nervenzellen auf ein Substrat, auf dem sie sich miteinander verbinden können. Mit einem Verfahren, das an Kartoffeldruck erinnert, drucken sie zuvor nanometerfeine Muster aus bestimmten Proteinen auf das Substrat. Die Nervenzellen, die sie zuvor aus dem Hinterleibsnervenknoten der Grille extrahiert haben, haften an den Proteinen undverschalten sich entlang der vorgeprägten Strukturen. So testet Offenhäusser, wie sich bestimmte Muster auf die Leistungsfähigkeit des neuronalen Netzes auswirken. Auf einer Linie hat jede Nervenzelle nur zwei Nachbarn, so dass die Komplexität gering ist, während in rechtwinkligen Netzen jede Zelle bereits mit vier Nachbarn kommunizieren kann und in wabenförmigen Strukturen sogar mit sechs Nachbarn. „Es ist allerdings ungeheuer schwierig, größere funktionierende Netze aus lebendigen Nervenzellen auf dieses Substrat zu bringen, wir arbeiten hier am Limit des Möglichen“, erklärt Offenhäusser.

Die Jülicher Arbeitsgruppe arbeitet auch an der Entwicklung von Schnittstellen zwischen biologischen und elektronischen Systemen, indem sie Nervenzellen mit Bauelementen wie Transistoren verbindet. Die intelligente Vernetzung, die Grillen, Fische oder Fledermäuse in ihren Sensorfeldern im Lauf der Evolution optimiert haben, könnte sich auf den Entwurf von Schaltkreisen für die Technik übertragen lassen, hoffen die CILIA-Partner. Und damit könnten sich langfristig auch Hörgeräte so verbessern lassen, dass auch Gespräche mitten in turbulenten Partys wieder Freude machen.