Wir untersuchen das Zugorientierungsverhalten von zwei lokalen, nachtziehenden Singvogelarten, dem Rotkehlchen und der Mönchsgrasmücke. In unseren weltweit einzigartigen nichtmagnetischen Hütten führen wir nach Sonnenuntergang Verhaltensexperimente durch, bei denen wir modifizierte Emlen-Trichter verwenden, um zu testen, welche Zugrichtung die Vögel einschlagen möchten. Wir konzentrieren uns auf den Magnetkompass der Vögel, indem wir sie in verschiedenen Magnetfeldbedingungen testen, die wir mit unseren Magnetspulensystemen erzeugen. Wir setzen die Vögel verschiedenen Konditionen aus, um zu untersuchen, welche Bedingungen es ihnen erlauben, sich zu orientieren oder nicht. Dadurch versuchen wir, ein besseres Verständnis des magnetischen Kompasses von Vögeln zu erlangen.

Solche Bedingungen können z.B. sein:

1) Die Zusammensetzung des Lichtspektrums oder monochromatische Lichtverhältnisse, die Aufschluss darüber geben, was die spektralen Voraussetzungen für den Magnetkompassmechanismus sind.

2) Die Störung des vorgeschlagenen quantenchemischen Magnetrezeptionsmechanismus (Radikalpaartheorie) durch Hochfrequenzfelder – dies liefert uns Informationen über die organische Natur der beteiligten Moleküle.

Alle Testkonditionen können an die spezifischen Forschungsfragen angepasst und dann mit unserem Verhaltenstest kombiniert werden. Ein gutes Datenmanagement, eine gute Datenverarbeitung und die statistische Analyse unserer doppelblinden Experimente sind am Ende jeder Zugsaison von entscheidender Bedeutung.

Wir untersuchen die neurobiologischen Grundlagen der Magnetorezeption und Navigation bei Nachtzugvögeln. Um Aufschluss darüber zu geben, wo und wie Navigationsinformationen im Vogelgehirn verarbeitet werden, verwenden wir Techniken wie die Verfolgung neuronaler Bahnen, Immunhistochemie und Neuronenaktivitätsmarker.

Für die Rückverfolgung neuronaler Bahnen arbeiten wir mit konventionellen Tracern wie Choleratoxin-Untereinheit B, Biotin und DiI, aber auch mit Adeno-assoziierten Viren (AAVs), die fluoreszierende Moleküle wie eGFP und mRuby exprimieren. Um diese neuronalen Bahnen weiter zu untersuchen und das Gehirn von Nachtzugvögeln zu charakterisieren, führen wir Immunhistochemie mit Substraten sowie Fluoreszenzfärbungen durch. Um herausfinden zu können, ob die Navigation, insbesondere die Magnetrezeption, in einer bestimmten Hirnregion stattfindet, verwenden wir Neuronenaktivitätsmarker gegen unmittelbar frühe Gene, die nach einem Stimulus exprimiert werden.

Nach dem Tracing der neuronalen Bahnen analysieren wir unsere Daten qualitativ anhand von Expressionsmustern und speziellen neuronalen Merkmalen, die von anderen Vogelarten bekannt sind, aber auch quantitativ, indem wir die Dichte messen und Aktivitätsmuster zwischen den Bedingungen vergleichen. Dazu arbeiten wir mit Bildbearbeitungsprogrammen wie Fiji von ImageJ, Adobe Photoshop und Illustrator, sowie mit Rechenprogrammen wie Matlab und R.

Wir beschäftigen uns mit verschiedenen Aspekten der Netzhaut von Wirbeltieren:

1) Wir laden Tracer und verschiedene Substanzen (z.B. Neurobiotin) in retinale Neuronenzellen und verfolgen den Tracerfluss. Dies zeigt uns die Permeabilität von Gap-Junction-Kanälen zwischen retinalen Neuronen. Dadurch können wir nach einer Möglichkeit suchen, Gesundheitssignale durch Netzhautlücken als therapeutischen Weg für Netzhautdegenerationskrankheiten zu übermitteln.

2) Um die Schaltkreise und die funktionelle Rolle von retinalen Interneuronen und horizontalen Zellen zu erforschen, verwenden wir Farbstoffinjektion, um die Morphologie horizontaler Zellen in der Netzhaut von Mäusen (und Vögeln) zu visualisieren, rekonstruieren rekonstruieren retinale Neuronenzellen und suchen nach Unterschieden in dorsalen, nasalen, ventralen und temporalen Bereichen. Außerdem untersuchen wir den Unterschied des horizontalen zellrezeptiven Feldes in verschiedenen Netzhautbereichen.

3) Um die Schaltkreise für die lichtabhängige Magnetorezeption in der Vogelnetzhaut zu erforschen, verwenden wir elektrophysiologische Techniken wie Patch-Klemme und Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung. So können wir die synaptischen Verbindungen und retinalen Signalwege von mutmaßlich magnetosensitiven Photorezeptoren zu Thalamus-projizierenden Ganglienzellen in Zugvögeln aufklären.

Unser Hauptaugenmerk liegt darauf, wie Cryptochrom 4 (Cry4) über einen Radikalpaarmechanismus auf Magnetfelder reagiert und wie Cry4 mit anderen Proteinen für die Signaltransduktion interagiert.

Wir kombinieren molekulare und biochemische Methoden, spektroskopische Techniken und Bildgebung lebender Zellen, um wichtige Einblicke in die magnetischen Sensor- und Signalfunktionen von Cry4 zu gewinnen. Als Teil unseres Toolsets ermöglichen rekombinante Proteinexpressions- und Aufreinigungsmethoden eine große Menge an funktioneller Cry4-Proteinproduktion für verschiedene spektroskopische Messungen. Mit Hilfe der etablierten Proteinproduktionspipeline exprimieren wir routinemäßig Cry4-Proteine aus verschiedenen Tierarten. Eines der Proteine ist das Cry4-Protein aus europäischen Rotkehlchen. Gemeinsam mit Kollegen in Oxford haben wir die magnetische Empfindlichkeit des Cry4-Proteins demonstriert, was als Titelgeschichte des Nature Journal veröffentlicht wurde (Xu et al., 2021).

Gleichzeitig verwenden wir die Methoden des Förster-Resonanzenergietransfers und der Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebungsmikroskopie für Cry4-Proteininteraktionsstudien. Abhängig von den Forschungsfragen entwickeln wir ständig neue Methoden.