"Star-Trek-Holodeck" für Versuchstiere - wissenschaft.de
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„Star-Trek-Holodeck“ für Versuchstiere

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Die Holodeck-Version für Fliegen. (Credit: IMP/IMBA Graphics Department, https://strawlab.org/freemovr)
Ein Raum, der virtuelle Welten perfekt simulieren kann – das fiktive „Holodeck“ der Science-Fiction-Serie „Star Trek“ ist berühmt. Zur Erforschung der Orientierung und des räumlichen Denkens von Lebewesen haben Biologen nun ein vergleichbares System entwickelt: eine Art Holodeck für die Modelltiere der Neurobiologie – Fliegen, Fische und Mäuse. Das System erlaubt Experimente, die in der realen Welt nicht möglich wären, erklären die Forscher.

Wie orientieren sich Menschen, wenn sie in einem neuen Umfeld unterwegs sind und wie schätzen sie ein, welche Distanzen sie zurückgelegt haben? Solche grundlegende Fragen zum räumlichen Denkvermögen ergründen Neurowissenschaftler in der Regel nicht direkt am Menschen, sondern an Modelltieren. Bei dieser Forschung gibt es allerdings eine Herausforderung: Tier und Mensch nutzen Sinneseindrücke, um ihre mentale Karte zu aktualisieren, wodurch die Bewegungen untrennbar mit den Empfindungen verbunden sind. Um zu verstehen, wie das Gehirn die unterschiedliche Informationen verarbeitet, wäre es deshalb ideal, die einzelnen Aspekte voneinander lösen zu können.

Trennung von Wahrnehmung und Verhalten

„In diesem Zusammenhang haben wir bisher die Science-Fiction-Welt der Fernsehserie Star Trek um eine Erfindung beneidet: um das Holodeck“, sagt Andrew Straw von der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Doch das ist nun vorbei, denn der Forschertraum hat sich nun in Wirklichkeit verwandelt: Straw und ein internationales Forscherteam haben ein Holodeck ähnliches System zur Erstellung von virtuellen Welten entwickelt. „Wir haben eine umfassende, dreidimensionale virtuelle Realität geschaffen, in der sich Versuchstiere frei bewegen konnten“, erklärt Straw. „Dadurch können wir eine von uns vorbereitete visuelle Landschaft mit ihren Handlungen und Wahrnehmungen verbinden.“

Zu den visuellen Landschaften gehören zum Beispiel vertikale Säulen, verschiedene Pflanzen oder Schwärme sogenannter Space Invaders – Figuren aus einem Computerspiel. Bei dem System erfassen mehrere Kameras die exakte dreidimensionale Position von Fisch, Fliege oder Maus. Ein Computerprogramm registriert dabei jede Bewegung des Tieres innerhalb von Millisekunden, sodass immer ein aktualisiertes Bild der virtuellen Umgebung an die Wand projiziert werden kann. Wie sich zeigte, nahmen die Tiere die simulierten Objekte auch tatsächlich als echt wahr und änderten ihr Verhalten in den unterschiedlichen visuellen Umgebungen, berichten die Forscher.

Virtuelle Höhenangst und Schwarmverhalten

Die Forscher konfrontierten durch das System beispielsweise Mäuse mit virtuellen Abgründen und konnten so deren Höhenangst in der künstlichen Umwelt dokumentieren. Bei den Fliegen veränderten sie hingegen die Flugrichtung durch die visuellen Reize im Holodeck. Bei den Fischen stand wiederum das Schwarmverhalten im Fokus: Die Wissenschaftler simulierten bei Experimenten einen Schwarm von Space-Invader-Figuren, in dem sich ein Versuchs-Fisch fortbewegte. Der virtuelle Schwarm war so programmiert, dass er den echten Fisch als einen Teil von sich behandelte. Dies wirkte sich wiederum deutlich auf das Verhalten des Tieres aus.

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Erstmals konnten die Forscher auch die Interaktion zwischen mehreren Individuen in  komplexer Weise manipulieren. Sie entwickelten dazu ein fotorealistisches Modell eines schwimmenden Fisches, der computergesteuert werden konnte. Es zeigte sich, dass Fische diesem virtuellen Exemplar folgen, wenn dieses wiederum die Schwimmrichtung auf einen weiteren realen Fisch ausrichtete. Kurzum: Spannende Möglichkeiten zeichnen sich ab und die Forscher sind begeistert von ihrem futuristisch wirkenden „Spielzeug“. Man darf also gespannt sein, was sie über die Grundlagen der Orientierung aufdecken werden.

Originalarbeit der Forscher:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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Wissenschaftslexikon

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