Kybernetik 2, 56-77 (1971) © by Springer-Verlag 1971 - Max Planck ...

Kybernetik 2, 56-77 (1971)
© by Springer-Verlag 1971
Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica
1. Analyse der „clock-spikes" und ihrer Quellen
R. HENGSTENBERG
Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik Tübingen
Eingegangen am 23. Dezember 1970

Summary. 1. It is possible to record spontaneously occurring
impulses in the housefly's optic lobe region. These closely resemble
"clock-spikes", as described for Calliphora by Kuiper and Leutscher-
Hazelhoff (1965). The repetition rate of these impulses-here called
"C-spikes"-is about 45/s at 20 ° C and increases with temperature.
Between 15 and 35 ° C the temperature coefficient of the repetition rate is
close to Q 10 = 2. At constant temperature the mean rate is constant for
many hours, the individual intervals appear to be gaussian-distributed
about the mean interval τ. The standard deviation of the interval
lengths in samples of > 10000 impulses is approximately + 2.5 % of
the mean. The fluctuation corresponds to a slight modulation of the
mean spike frequency by a noise signal, comprising slow as well as fast
components.
2. The time course of extracellularly recorded spikes in
combination with evidence from simultaneous recordings at
different sites shows that typical C-spikes are produced by the
subsequent activity of at least two distinct sources: "Prespikes"
originate in the midbrain and are centrifugally conducted with
about 2 m/s at room temperature to a peripheral site of C-spikeactivity,
where they induce a strictly eventcorrelated impulse
activity of a "postspike" source. Decapitation shows that all
elements that are necessary to produce and to maintain the regular
C-spike activity are located within the head. Under constant
conditions no interaction is observed between C-spike sources on
the left and right side of the head. Intracellular recordings show
that the membranes of the postspike sources an either side are of
the electrically unexcitable type. Each of the postspike sources is
formed by a cluster of at least two cells. Electrophysiological
localization experiments indicate that the postspike sources are
located outside of the optic lobes, but close to the lower frontal
margin of the left- and right-hand medulla.
3. The sources of C-spike activity could be identified by
histological localization of the recording sites. The anatomical
correlate of the electrophysiologically determined C-spike system
has been reconstructed by means of silver impregnated serial
sections: In the lateral perikaryon layer an either side of the
subesophageal ganglion lies a single large motoneurone, which is
spontaneously producing the regular impulses, most probably
during the entire life time of the fly. These impulses are
centrifugally conducted along a thin peripheral nerve, which only
contains a single motor axon of 6 µm diameter. The nerve runs to a
very small muscle, consisting of 14-20 tubular skeletal muscle
fibres of 7-10 ~µm diameter. These fibres are innervated by
numerous grape-like neuromuscular endings. From this
unineuronal, multiterminal innervation it is concluded that the
muscle acts as a functional unit. Extracellular and intracellular
recordings under microscopic observation prove the identity of the
muscle fibres with the source of the postspikes.
4. The muscle has not been previously described for Musca. It
is shown that one end of the muscle is inserted at the inner margin
of the orbital ridge, i.e. at the base of the frontal ommatidia in the
vicinity of the equator of the compound eye. The other end is fixed
to an apodeme which originates near the foramen occipitale an the
ventral occipital ridge and which most probably is homologous
with the tentorium of other insects. Hence the muscle is denoted as
Musculus orbitotentorialis. Similar muscles with comparable
insertions are found in Calliphora and Drosophila. The orbitotentorial
muscle also exists in Eristalis, where the tentorium is well
developed. Here the muscle inserts an the anterior tentorial arm
and at the inner margin of the orbital ridge. This muscle also
produces continuously regular spikes.
5. The structure of the head skeleton of Musca shows that the
tentorial insertion of the muscle is relatively rigid. Since
antagonistic muscles are obviously missing, it is concluded
that the orbito-tentorial muscle acts against the elastic forces of the eye
tissue and of the orbital skeleton. It is conceivable that the muscular
action causes displacements of the optic axes of the visual elements in
the compound eyes. The physiological meaning of these displacements
is still obscure and deserves further investigations.
I. Einleitung
Im visuellen System der Insekten kann die elektrische
Aktivität einzelner Neurone registriert und deren
Abhängigkeit von definierten visuellen Reizparametern
analysiert werden (Zusammenfassung bei Götz, 1969).
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen können mit
Aussagen über die Rezeptions- und Perzeptionsleistungen
des Gesamtsystems in Beziehung
gesetzt werden, die durch quantitative Verhaltensuntersuchungen
am intakten Tier unter vergleichbaren
Reizbedingungen gewonnen wurden (Zusammenfassung bei
Reichardt, 1969).
Kuiper u. Leutscher-Hazelhoff (1965, 1966) haben
bei Calliphora (Calliphoridae, Diptera) im Bereich dei
optischen Ganglien durch extrazelluläre Ableitungen
sogenannte „clock-spikes" nachgewiesen, deren Eigenschaften
sich wesentlich von den oben erwähnten
Einzelzellaktivitäten unterscheiden: Die Zellen feuern
spontan und außergewöhnlich regelmäßig mit 50-60
Imp/s bei 20° C. Die Impulsrate ist temperaturabhängig,
war aber durch mechanische, elektrische und visuelle
Reize anscheinend nicht zu beeinflussen.
Im folgenden wird gezeigt, daß ähnliche Potential.
änderungen auch bei der Stubenfliege Musca domestica
(Muscidae, Diptera) registriert werden können. Die
Organisation des sogenannten „C-Spike"-Generators ist
der Gegenstand dieser Untersuchung. Zunächst ist zu
fragen, wie weit die Ähnlichkeit der an Musca und
Calliphora registrierten Ereignisse reicht, d. h. ob die
Impulsaktivitäten in den beiden Gattungen homolog und
damit von übergeordnetem Interesse sind. Dann wird zu
klären sein, ob die extrazellulär gemessenen
Potentialänderungen der Aktivität einer Einzelzelle
entsprechen oder ob sie aus der synchronen Erregung
einer Zellgruppe hervorgehen. Anschließend ist zu entscheiden,
ob „clock-spikes" Aktionspotentiale im
strengen Sinne, also fortgeleitete Alles-oder-Nichts-
Impulse einer elektrisch erregbaren Membran sind, oder ob
sie als graduierte Potentialänderungen an einer elektrisch
nicht erregbaren Membran entstehen. Schließlich sind die
an der Erzeugung der „C-Spikes"beteiligtenStrukturen mit
elektrophysiologischen und histologischen
Lokalisationsmethoden zu identifizieren. Auf der Grundlage
dieser Ergebnisse wird die Frage nach der Funktion
dieser Impulse in einem zweiten Teil dieser Arbeit
(Hengstenberg, in Vorbereitung) eingehend behandelt.

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 57
Ein großer Teil der Ergebnisse dieser Untersuchung wurde anläßlich
des „Workshop on Quantitative Neurophysiology"
vorgetragen, der vom 4.-7. Mai 1970 von der European
Molecular Biology Organization (EMBO) mit dem Thema
„Vision in Diptera" in Tübingen veranstaltet wurde.
II. Versuchstiere und Methoden
1. Präparation. Alle Experimente wurden an 1 -2
Wochen alten weiblichen Tieren aus der Zucht des
Instituts (ingezüchteter Wildstamm) ausgeführt. Für die
Versuche wurden die Fliegen kurz mit Äther narkotisiert,
im Drehzentrum eines Röntgengonimeterkopfes mit
Klebwachs befestigt und unter mikroskopischer
Kontrolle nach den drei Hauptachsen eines hydraulischen
Vorschubsystems für die Meßelektrode ausgerichtet. Durch
Vorgabe der Winkelkoordinaten wurde die Einstichrichtung
festgelegt.
Der Kopf der Versuchstiere mußte in einer ca. 30°
nach ventral geneigten Position festgelegt werden, um einen
bequemen Zugang zu den Cerebralganglien zu ermöglichen.
An der Rückseite der Kopfkapsel wurde seitlich eine
Öffnung von ca. 0,5 mm Breite präpariert, durch die
zunächst Fettgewebe und, falls nötig, auch Teile des
Tracheensystems durch Absaugen mit einer dünnen
Glaskapillare entfernt werden konnten. Nach Freilegung
der optischen Ganglien waren die verschiedenen
Ganglienkomplexe leicht zu unterscheiden und die
Meßelektrode konnte an beliebigen Punkten der
Ganglienoberfläche aufgesetzt und unter einem
vorgewählten Winkel eingestochen werden.
2. Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Die Präparation der
Versuchstiere und die Experimente selbst wurden bei ca.
75% relativer Luftfeuchtigkeit und konstant geregelter
Raumtemperatur ausgeführt. Regelschwankungen der
Lufttemperatur wurden in der unmittelbaren Umgebung
des Versuchstieres und der Elektroden durch eine
dickwandige Messingkammer weitgehend ausgeglichen.
Die Temperatur am Ort der Fliege wurde mit einem
Thermistor in Brückenschaltung überwacht. Die
Empfindlichkeit der Meßeinrichtung betrug 120 mV/°C,
die Zeitkonstante war ≤ 3s. Die Temperaturschwankungen
waren maximal ±0,03° C/Std und ±0,15° C/10 Std.
3. Elektroden. Für die Mehrzahl der Experimente
wurden metallgefüllte Kapillarelektroden (Gesteland et al.,
1959) von 2-5 µm Spitzendurchmesser verwendet, deren
Impedanz durch die Dauer der Platinierung auf einen
gewünschten Wert zwischen 50 kΩ und 1 MΩ bei 1 kHz
eingestellt werden konnte. Elektroden von
≤ 100 kΩ wurden wegen ihres günstigen
Signal/Rauschverhältnisses für langdauernde Experimente
verwendet; Elektroden von ≥ 300 kΩ wurden wegen
ihrer höheren räumlichen Selektivität für
Lokalisationsversuche verwendet, wobei der Ort der
Elektrodenspitze durch Hochfrequenz-Koagulation
(Ballintijn, 1961) markiert und später histologisch
lokalisiert wurde. Dieselbe Methode wurde zur selektiven
Ausschaltung von Zellen in unmittelbarer Nähe der
Elektrodenspitze benutzt.
Intrazelluläre Ableitungen wurden mit konventionellen
3 M-KCl-gefüllten Kapillarelektroden ausgeführt, deren
Gleichspannungswiderstand bei einem Spitzendurchmesser
< 1 µm etwa 10-30 MΩ betrug. Gelegentlich wurden für
extrazelluläre Messungen 3MNaCI-gefüllte
Kapillarelektroden mit einem Spitzendurchmesser von ca. 2
µm verwendet.
Als Referenzelektrode wurden 50 µm dicke, elektrolytisch
chlorierte Silberdrähte verwendet, die in die
Hämolymphe der eröffneten Kopfkapsel eintauchten.
4. Me3einrichtung. Die bioelektrischen Signale wurden
mit einem rauscharmen Gleichspannungsverstärker
(Bandbreite 0-20 kHz) nach Wenking gemessen,
dessen Eingangswiderstand dem Gesamtwiderstand von
Meßelektrode und Präparat angepaßt werden kann.
Gleichspannungskomponenten konnten entweder durch
Gegenkopplung mit wählbarer Zeitkonstante, oder durch
Kompensation mit einer variablen Zusatzspannung
unterdrückt werden. Zur Verkleinerung der effektiven
Eingangskapazität wurde die Abschirmung des
Elektrodenkabels niederohmig auf Elektrodenpotential
mitgeführt.
Bei extrazellulären Ableitungen mit Metallelektroden
wurde dem Meßverstärker ein variables Bandpaßfilter
nachgeschaltet, um im Frequenzbereich der zu
beobachtenden Potentialänderungen ein möglichst günstiges
Signal/Rausch-Verhältnis zu erzielen. Störsignale mit
Netzfrequenz wurden selektiv unterdrückt.
Abb.lb zeigt den Amplituden- und Phasenfrequenzgang
dieser Meßanordnung. Bei intrazellulären Ableitungen
wurden die Filter überbrückt, so daß die
Frequenzübertragung allein durch die Eigenschaften des
Meßverstärkers bestimmt war (Abb.la). Für
Simultanableitungen mit zwei unabhängigen Meßelektroden
wurden zwei Meßverstärker und zwei
Filterketten mit gleichen Übertragungseigenschaften
verwendet, wobei ebenfalls eine der Filterketten überbrückt
wurde, wenn simultane Ableitungen mit extrazellulären
Metallelektroden und intrazellulären Kapillarelektroden
auszuführen waren.
5. Registrierung und Auswertung. Im allgemeinen
wurden die Meßgrößen und andere Parameter der

58 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
Experimente zur weiteren Verarbeitung mit einem
vierspurigen Magnetbandgerät (PI 6100) gespeichert. Der
Frequenzbereich des Geräts beträgt je nach Bandlaufgeschwindigkeit
0 Hz bis 10 kHz im FM-Betrieb und 50
Hz bis 100 kHz im DR-Betrieb. Bandlaufgeschwindigkeit
und Betriebsart wurden je nach den experimentellen
Bedingungen gewählt.
In einigen Fällen wurden die biologischen Potentialänderungen
direkt mit einer Tönnies Registrierfilmkamera
oder Polaroid-Kamera vom Schirm eines Speicher-
Oscillographen aufgezeichnet. Meist wurden die Meßgrößen
aber mit Hilfe elektronischer Funktionseinheiten (entwickelt
von H. Wenking) umgeformt und entweder mit einem x ; t-
Linienschreiber als Zeitfunktion ausgeschrieben oder zur
weiteren Verarbeitung einem digitalen Vielkanalanalysator
CAT 400 B (Technical Measurement Corp.) eingegeben. Dieses
Gerät wurde in folgenden Betriebsarten verwendet 1. als
schneller Ereigniszähler, 2. zur Erstellung von Intervall- bzw.
Latenzhistogrammen, 3. zur Mittelwertbildung durch
Summierung. Der gespeicherte Inhalt der 400
Analysatorkanäle wurde entweder mit einem x; y-
Schreiber oder mit einem digitalen Meßwertdrucker
ausgeschrieben.
6. Morphologische Methoden. Für Übersichtsstudien der
Kopfanatomie wurden fixierte Tiere präpariert, die
Struktur des Chitinskelets wurde nach Hydrolyse aller
anderen Gewebe in kochender 10% KOH untersucht. Für
histologische Untersuchungen wurden Fliegen in Carnoy
fixiert, in Tissuemat-Paraplast eingebettet, in Serien 10 µm
dicker Schnitte zerlegt und durch die Bodian’sche
Silberfärbung, modifiziert nach Chen u. Chen (1969),
kontrastiert. Für elektronenoptische Studien wurden die
Präparate nach Karnovsky (1965) vorfixiert, mit 2% Os0 4 in
Phosphatpuffer pH 7,3 nachfixiert, in Araldit eingebettet
und ca. 600 Å dick geschnitten. Die Schnitte wurden mit
Uranylacetat und Bleicitrat doppelkontrastiert und mit dem
Elektronenmikroskop EM 300 (Philips) untersucht.
III. Zeitliche Eigenschaften der Impulsserien
In diesem Kapitel sollen Eigenschaften der C-Spikes von
Musca untersucht werden, die sich aus der zeitlichen Folge
der Einzelereignisse erschließen lassen ; gleichzeitig soll die
Frage beantwortet werden, ob die C-Spikes von Musca den
von Leutscher-Hazelhoff u. Kuiper (1966) an Calliphora
nachgewiesenen „clock-spikes" homolog sind. Hierfür wurden
Experimente der genannten Autoren z. T. an Musca
wiederholt.
1. Spontanaktivität. Wenn man eine niederohmige
Metallelektrode ungefähr an der Grenze zwischen Lobula und
Medulla von dorsal und posterior unter 30° gegen die
Frontalebene in die optischen Ganglien einsticht, so tauchen
nach einem Vorschubweg von etwa 400 µm aus der
allgemeinen Impulsaktivität dieser Ganglienregion
periodische Spikes auf, deren extrazellulär gemessene
Amplitude im Mittel über 40 Versuche bei 470 ± 70 µm * ein
Maximum erreicht.
Diese Spikes wiederholen sich bei Zimmertemperatur mit
einer Rate von ungefähr 45 Imp/s (Abb. 2) ;
* Streuungsangaben bezeichnen im folgenden immer die
Standardabweichung a=VΣ(x, -x) 2 /(n-1).
sie sind bei > 90 % aller Tiere beim ersten Einstich der Elektrode
zu finden. Bei konstanter Temperatur ist die Impulsrate für
alle Fliegen etwa gleich groß und gleich regelmäßig.
2. Temperaturabhängigkeit der Impulsrate. Die Impulsrate
ist bei Musca wie bei Calliphora eine Funktion der
Temperatur ; diese Abhängigkeit wurde an zwei Tieren
bestimmt.
Hierzu wurden Versuchstier, Elektroden, Meßthermistor und
deren Halterungen von einer dickwandigen
Messingkammer umgeben, die auf der Außenseite mit
einer elektrischen Heizwicklung versehen war. Durch
Vorkühlung des Labors und Regelung des Heizstromes
konnten entweder bestimmte Gleichgewichtstemperaturen
im Inneren der Kammer eingestellt oder langsame
Temperaturänderungen (dT/dt < 0,1° C/min) erzeugt
werden.
Die Meßergebnisse für Musca sind in Abb. 3 den Daten
für Calliphora (umgezeichnet nach Leutscher-Hazelhoff u.
Kuiper, 1966) gegenübergestellt. Die

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 59
Impulsrate steigt mit der Temperatur von etwa 30 Imp/s
bei 15° C auf etwa 100 Imp/s bei 40° C. In beiden
Gattungen liegt der Temperaturkoeffizient der Impulsrate
zwischen 15 und 35° C dicht bei Q 10 = 2. Bei gleicher
Temperatur erreicht die Impulsrate bei Musca nur etwa
70% der entsprechenden Werte von Calliphora. Aus den
vorliegenden Messungen läßt sich jedoch nicht entscheiden,
ob dieser Unterschied signifikant ist.
Bei gleicher Temperatur variiert die Impulsrate von
Tier zu Tier. So ergibt sich z. B. für 11 Messungen bei 24,4° C
ein Mittelwert von 62 Imp/s und die
Standardabweichung zu σ = ± 8,7 Imp/s.
3. Fluktuationsanalyse der Spikeintervalle. Die außergewöhnliche
Regelmäßigkeit, mit der diese spontanen
Impulse auftreten, zeigt sich aus dem Intervall-Histogramm
einer langen Spikeserie, die bei konstanter Temperatur (∆ T <
± 0,02 ° C) gemessen wurde.
Zur Ermittlung des Intervallhistogramms wird die Spikeserie durch
einen Amplitudendiskriminator mit vorgebbarer
Schwelle in eine Serie von Standardimpulsen umgeformt. Der zeitliche
Abstand aufeinanderfolgender Standardimpulse wird durch den CAT
Averager klassiert und einem von 400 Analy
satorkanälen zugeordnet. Die Kanäle des Speichers entsprechen den
Intervalldauern z im Bereich zwischen (k-1) zl a und kA-c, mit
k=1,...,400. Der Speicherinhalt gibt also
die Anzahl von Intervallen pro Bereich, die während der Meßzeit
aufgetreten sind.
Das in Abb. 4 als Beispiel dargestellte Histogramm über ca.
17000 Einzelintervalle hat eine Form, wie man sie bei
zufälliger Verteilung der Einzelintervalle τ i um den Mittelwert
τ erwarten würde. Die graphische Prüfung auf das
Zutreffen einer Normalverteilung ergibt, daß in fast allen
Experimenten > 98 % der ausgewerteten Intervalle einer
Zufallsverteilung entsprechen. Abb. 4B zeigt diesen
Zusammenhang für das in Abb. 4A dargestellte Beispiel.
Größere Abweichungen hiervon treten bei einzelnen
instabilen, bei degradierenden Präparaten und infolge von
Temperaturdrift auf. Aus Abb. 4B läßt sich die
Standardabweichung σ für die bestangepaßte
Normalverteilung entnehmen. Die erhaltenen Werte für
verschiedene Präparate streuen zwischen ± 1,2 und ± 3,4 % des
Mittelwertes τ. Die häufigsten Werte liegen etwa bei ± 2,5 %.
Man kann zeigen, daß der Anteil der Meßfehler an der ermittelten
Fluktuation der Spikeintervalle vernachlässigbar klein ist. Die
Variation des Triggereinsatzpunktes aufgrund des überlagerten
Rauschens, der Fluktuation der Spikeamplitude, sowie der
Gleichlaufschwankungen des Bandgeräts sind für weniger als ein
Hundertstel der ermittelten Standardabweichung verantwortlich zu
machen.
In zusammenhängenden Serien von mehr als 50000
Spikes fällt gewöhnlich kein Spike aus ; überzählige
Impulse (zwei aufeinanderfolgende, stark verkürzte
Intervalle) lassen sich aufgrund des Potentialverlaufs in
allen Fällen als einstreuende Fehlersignale anderer
Spannungsquellen identifizieren.
Die Versuche zeigen, daß die mittlere Intervalldauer
τ sehr genau eingehalten wird; im folgenden wird daher
der Begriff „Spikefrequenz" (ω[Hz]) anstelle von
„Impulsrate" benutzt, um die nahezu strenge Periodizität der C-
Spikes anzudeuten.
Das Intervallhistogramm gibt keine Auskunft darüber,
wie die Streuung der Einzelintervalle zustande
gekommen ist. Insbesondere sind zwei verschiedene
Möglichkeiten denkbar:
A. Die einzelnen Intervalle sind statistisch weitgehend
voneinander unabhängig ; die mittlere Spikefrequenz ω ist
für beliebige Ausschnitte einer Serie konstant.
B. Die aufeinanderfolgenden Intervalle sind fast
gleich, die mittlere Spikefrequenz ω fluktuiert aber zufällig.
Diese beiden Vorstellungen können einfach und
anschaulich anhand eines Intervall-Streuungsdiagramms
unterschieden werden (Rodieck et al., 1962).
Bei diesem Diagramm wird für viele
aufeinanderfolgende Intervalle die Größe des Intervalls n
auf der Abszisse und die Größe des Intervalls n + 1 auf der
Ordinate aufgetragen; jedes Paar von Intervallen ergibt
einen Punkt und die Anordnung der Punkte im Diagramm
gibt Aufschluß über etwa bestehende Korrelationen 1.
Ordnung. In dieser Darstellung würden für einen präzisen
Oscillator alle Intervalle in einen Punkt zusammenfallen;
bei zufälliger Streuung um den Mittelwert ergibt sich eine
Wolke von Punkten, deren Dichte in der Nähe von τ, τ am
größten ist, und deren Dichteverteilung um diesen Punkt
annähernd rotationssymmetrisch ist. Bei positiver
Korrelation aufeinanderfolgender Intervalle gruppieren sich die
Punkte entlang der Ursprungsgeraden mit der Steigung + 1 und
bei negativer Korrelation gruppieren sie sich um die Diagonale
mit der Steigung -1.
Für das in Abb. 5 dargestellte Intervall-Streuungsdiagramm
wurde die Dauer von 1600 Spikeintervallen einer Serie mit
einer zeitlichen Auflösung von 25 µs gemessen und
aufeinanderfolgende Intervallpaare entsprechend aufgetragen.
Für die Hypothese A sollte man eine rotationssymmetrische
Wolke von Punkten und für die Hypothese B eine
gestreckte Verteilung entlang der Diagonalen mit der Steigung
+ 1 erwarten. Das Diagramm zeigt durch die Ausdehnung der
Punktwolke sofort, daß die Streuung der Einzelintervalle
wesentlich zur Gesamtstreuung beiträgt. Die Verteilung ist aber
nicht rotationssymmetrisch, sondern zeigt eine schwache positive
Korrelation aufeinanderfolgender Intervalle. Über wieviele
Intervalle sich diese Korrelation erstreckt, ist dem
Diagramm jedoch nicht zu entnehmen.

60 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
Weitgehend ähnliche Zusammenhänge haben Leutscher-Hazelhoff
u. Kuiper (1966) bei Calliphora gefunden.
v. Barneveld u. Sinnema loc. cit. konnten mit
verfeinerten statistischen Methoden nachweisen, daß sich
eine schwache positive Korrelation über mindestens 80
Intervalle erstreckt.
Die Untersuchungen zeigen, daß sowohl die Einzelintervalle
als auch deren Mittelwert Schwankungen
unterliegen. Für die Beschreibung dieser Vorgänge
genügt es, Störungen des festen Mittelwerts ω anzunehmen.
Die tiefen Frequenzen im Spektrum der Störfunktion
beschreiben im wesentlichen die Fluktuation des
Mittelwerts, während die höheren Störfrequenzen
vorwiegend die Fluktuation dicht aufeinanderfolgender
Einzelintervalle hervorrufen.
Die niederfrequenten Schwankungen der mittleren
Spikefrequenz, die wir als Ursache für die schwache
positive Korrelation aufeinanderfolgender Spikeintervalle
vermuten, lassen sich leicht nachweisen, indem man die
Spikes in Standardimpulse umformt, durch ein geeignetes
Tiefpaßfilter die Spannung mittelt und dieses Äquivalent
der mittleren Spikefrequenz als Zeitfunktion ausschreibt. In
Abb. 6 A und 6 B sind drei Beispiele solcher Registrierungen
dargestellt, die bei gleicher Temperatur an verschiedenen
Fliegen jeweils 30 min nach dem Einstechen der Elektroden
gemessen wurden. Es zeigt sich, daß die Fluktuation der
mittleren Spikefrequenz tatsächlich einen größeren
Frequenzbereich umfaßt. Das Spektrum dieser
Fluktuationen wurde nicht analysiert, doch genügen die
langsamen Änderungen der Spikefrequenz nach
oberflächlicher Abschätzung für die positive Korrelation
in Abb. 5.
4. Lebensdauer der Präparate. Im Vergleich zu anderen Zellen,
deren Impulsaktivität im Bereich der optischen Ganglien
registriert werden kann, sind die C-Spike-Präparationen
außerordentlich stabil. Unter konstanten Bedingungen und
hinreichend hoher Luftfeuchtigkeit (> 90 %) war es in einigen
Fällen möglich, mehr als 12 Std. lang kontinuierlich C-Spikes
abzuleiten. In Abb. 7 A ist die mittlere Frequenz und in Abb. 7
B die Standardabweichung vom Mittelwert für Stichproben von
ca. 12000 Spikes aus einer Serie von > 11 Std. Dauer
aufgetragen. Es zeigt sich, daß die wesentlichen Eigenschaften
des C-Spike-Generators während dieser Zeit kaum Veränderungen
erfahren.
Extrem niederfrequente Schwankungen der Spikefrequenz
sind durch die endliche Versuchsdauer allerdings nicht von
irreversiblen Änderungen durch Degradierung der Präparate
zu unterscheiden.
5. Spontane Frequenzzusammenbrüche. Im allgemeinen
weicht die Spikefrequenz über mehrere zehntausend
Intervalle um weniger als ±5 % von ihrem Mittelwert ab.
Gelegentlich treten in langen Spikeserien aber spontan
kurzfristige, reversible Frequenzzusammenbrüche auf (Pfeil
in Abb. 6), bei denen die Abweichung wesentlich größer ist.
Diese Änderungen werden weder durch eine zu hoch
gewählte Diskriminatorschwelle noch durch den Ausfall
einzelner Spikes

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 61
verursacht, denn in beiden Fällen sollte man Intervalle
doppelter Länge erwarten, die aber nicht gefunden
werden.
Abb. 8 zeigt den mittleren Verlauf von 21 aufeinanderfolgenden
Frequenzzusammenbrüchen, die der
Spikeserie von Abb. 7 entnommen wurden, in der die
Frequenzänderungen besonders deutlich ausgeprägt waren.
Zur Mittelwertsbildung wurden die Einzelintervalle
vermessen; als Bezugspunkt wurde jeweils das erste stark
verlängerte Intervall verwendet. Bei dem in Abb. 8
dargestellten Beispiel sinkt die Spikefrequenz über 10
Intervalle rasch ab und steigt dann wieder über 50-70
Intervalle langsam auf ihren mittleren Wert an. Die
Standardabweichung der Meßwerte zeigt, daß die
Frequenz während der fallenden Phase sehr irregulär wird
und während der ansteigenden Phase allmählich wieder die
frühere Regelmäßigkeit
erreicht. Diese Frequenzzusammenbrüche erfassen im
allgemeinen

62 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
4 mV auseinanderliegen, die ganze Folge von Änderungen kann
bei Zimmertemperatur bis zu 5 ms andauern.
Es ist zu prüfen, in welchem Ausmaß die Spikeform von
den Eigenschaften der Meßapparatur abhängt: Wesentliche
Übertragungsfehler der Elektroden können durch Prüfung
ihres Amplituden- und Phasenfrequenzganges in Ringer-
Lösung für Elektrodenströme ≤10 -10 A ausgeschlossen
werden. Dagegen bewirkt die zur Verbesserung des
Signal/Rauschverhältnisses verwendete Filterkette (Abb. 1)
zwangsläufig eine gewisse Verzerrung der Spikeform.
Beim Vergleich von C-Spikes, die mit (Abb. 9C1) und
ohne (Abb. 9C2) Filterkette registriert wurden, zeigt sich
aber, daß die C-Spikes in beiden Fällen durch eine
deutlich ausgeprägte Potentialänderung geringer
Amplitude eingeleitet werden.
2. Aktionspotentiale von Nervenfasern. Zum Vergleich
mit C-Spikes wurden Impulse von einem gut definierten
Element im Bereich der Lobula herangezogen, das mit 1
bis 5 Imp/s spontan aktiv ist und richtungsspezifisch auf
horizontale Bewegung von Objekten im contralateralen
visuellen Feld reagiert. Diese Elemente wurden durch
Bishop et al. (1968) ausführlich untersucht und unter der
Bezeichnung „class IIal-unit" beschrieben. In Abb. 9D
ist die mittlere Spikeform eines solchen Elements
wiedergegeben, die in jeder Beziehung dem entspricht, was
man für fortgeleitete Aktionspotentiale einer Nervenfaser
aus der zeitlichen Verlagerung der Äquipotentialflächen im
extrazellulären Raum erwartet (Lorente de Nó, 1947;
Mauro, 1960) : a) Die triphasische Potentialänderung
durchläuft ein anfängliches Maximum, dann ein stark
ausgebildetes Minimum und klingt nach einem weiteren
Maximum wieder ab. b) Die Gesamtamplitude erreicht
unter den gegebenen Meßbedingungen nur etwa 400 µV.
c) Die Potentialänderung erstreckt sich bei
Zimmertemperatur über 1-2 ms.
Die extrazellulär gemessenen Aktionspotentiale einiger
anderer visuell stimulierbarer Neurone im Bereich der
Medulla und Lobula (class I und IIb-units nach Bishop et
al.) weisen meist ebenfalls einen triphasischen Zeitverlauf
auf. Gelegentlich wurden biphasische Spikes ohne
anfängliches Maximum beobachtet, die möglicherweise
dicht bei ihrem Entstehungsort registriert wurden.
Bei keinem dieser Elemente konnten Aktionspotentiale
beobachtet werden, die mit einer biphasischen
Potentialänderung kleiner Amplitude beginnen. Außerdem
unterscheiden sich diese Impulse, von denen man sicher
weiß, daß sie von Nervenfasern erzeugt werden, in ihrer
Gesamtamplitude und -zeitdauer deutlich von C-Spikes.
3. Aufspaltung der C-Spikes in zwei Komponenten. In
einer Reihe von Experimenten, in denen die Umgebung
der üblichen Meßstelle (Einstich an der Grenze zwischen
Medulla und Lobula) systematisch abgetastet wurde, traten
teilweise Spikeformen auf, die in verschiedener Hinsicht
von der Form der typischen C-Spikes (Abb. 9A)
abweichen (Abb. 9E-H). Die Gesamtamplituden dieser
Spikes sind relativ klein, die Einzelereignisse sind aber
durch ihre mittlere Spontanfrequenz und Regelmäßigkeit
eindeutig als C-Spikes erkennbar. Die genannte biphasische
Komponente steht auch hier am Anfang der registrierten
Potentialänderungen. Die Amplitude des nachfolgenden
Ereignisses ist sowohl in ihrem Absolutbetrag als auch in
bezug auf die Größe der vorangehenden biphasischen
Komponente variabel. Das Verhältnis der beiden
Komponenten hängt offensichtlich von der
Elektrodenposition ab ; bei ortsfester Elektrode werden aber
nur geringfügige Variationen der relativen Amplituden
beobachtet. Die Kopplung der beiden Komponenten wird
auch in langen Serien von mehreren zehntausend Spikes
strikt eingehalten: eine zeitliche Dissoziation der beiden
Komponenten konnte ebensowenig beobachtet werden wie
einzelne Spikes einer Serie, denen die eine oder andere
Komponente fehlt.
Diese Befunde weisen auf die Existenz zweier
Komponenten hin, die von Quellen mit unterschiedlichen
elektrischen Eigenschaften zu stammen scheinen.

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 63
Im folgenden werden die anfängliche, biphasische
Komponente als Praespike und alle anschließenden
Potentialänderungen als Postspike bezeichnet, obwohl eine
solche Zuordnung, ausschließlich aufgrund extrazellulärer
Ableitungen, nicht ohne weiteres zulässig ist. Die folgenden
Experimente sollen darüber Auskunft geben, ob die
Aufspaltung der C-Spikes in zwei diskrete Komponenten
physiologisch sinnvoll ist.
4. Polaritätsumkehrung des Postspike. Es ist unter
bestimmten Voraussetzungen denkbar, daß nicht nur die
Größe, sondern auch das Vorzeichen der beiden C-
Spike-Komponenten von der räumlichen Lage der
Meßelektrode zu den Potentialquellen abhängt. Sind die
Quellen räumlich voneinander getrennt, so besteht die
Möglichkeit, daß bei bestimmten Elektrodenlagen Prae- und
Postspikekomponente mit entgegengesetzter Polarität
auftreten. Bei einigen Experimenten, besonders bei
Simultanableitungen mit zwei Meßelektroden, bei denen die
Versuchstiere anders als gewöhnlich präpariert werden
mußten, wurde eine entsprechende Polaritätsinversion der
Postspikes gefunden. Abb. 91 zeigt eine solche
extrazelluläre Registrierung mit normal ausgebildetem
Praespike, bei der die Polarität des Postspike eindeutig
umgekehrt ist. Dieser Befund deutet auf verschiedene
Quellen für Prae- und Postspike hin, die verwickelten
räumlichen Leitfähigkeitsverhältnisse im extrazellulären
Raum erlauben aber keine detaillierten Aussagen über das
Zustandekommen der Inversion.
5. Trennung von Praespike und Postspike. Einen direkten
Beweis für die Existenz von zwei räumlich getrennten
Quellen für Prae- und Postspike liefert ein Experiment,
dessen Ergebnisse in Abb. 9K dargestellt sind. Dabei
wurde die Meßelektrode so plaziert, daß die Amplitude der
Postspikes ihr Maximum erreichte ; die Elektrodenspitze
lag also mit einiger Wahrscheinlichkeit in der Nähe der
geforderten Postspikequelle. Abb. 9K 1 zeigt die
Potentialänderungen bei überbrückter Filterkette. Dann
wurde für 10 s ein hochfrequenter Wechselstrom (1 MHz,
ca. 1-10-µA) durch die Meßelektrode geschickt, um das
Gewebe in der unmittelbaren Umgebung der
Elektrodenspitze zu zerstören (Ballintijn, 1961). Abb.
9K2a zeigt die Potentialänderungen bei überbrückter
Filterkette unmittelbar nach dem Stromstoß : Der Praespike
ist deutlich zu erkennen, während der Postspike vollständig
fehlt. Bei geringerer zeitlicher Auflösung (Abb. 9K2b)
zeigt sich, daß die Frequenz und Regelmäßigkeit der Praespikes
erhalten geblieben ist. Bei vorsichtiger Dosierung
des Hochfrequenzstroms werden die Postspikes reversibel
ausgeschaltet. In dem geschilderten Experiment wurden sie
nach ungefähr 10 min erstmalig wieder sichtbar und
erreichten im Laufe einer halben Stunde ungefähr die
Hälfte der ursprünglichen Amplitude (Abb. 9K3). Es ist
vorstellbar, daß sich die Postspikequelle nach dem Stromstoß
regeneriert oder daß andere, intakt gebliebene Quellen
während der „Regenerationszeit" durch Gewebeverlagerungen
in die Nähe der Meßelektrode geraten. Das
beschriebene Coagulationsexperiment liefert keine
Aussagen über die Natur des Regenerationsprozesses, es
zeigt aber, daß C-Spikes Beiträge von mindestens zwei
Quellen enthalten, die sich experimentell trennen lassen.
6. C-Spikes mit einfacherem Zeitverlauf. Bei der Suche
nach Orten mit C-Spike-Aktivität wurden auch
5*
Meßstellen gefunden, an denen der Zeitverlauf der
extrazellulären Potentialänderungen weniger kompliziert
war. Die Spikes waren durch ihre regelmäßige
Spontanaktivität und mittlere Frequenz als C-Spikes
erkennbar.
Im Bereich des Protocerebrums wurden die in Abb.
9L dargestellten C-Spikes gefunden, die in Zeitverlauf und
Amplitude den in Abb. 9D dargestellten
Aktionspotentialen des Elements Hal gleichen. Es
handelt sich also wahrscheinlich um fortgeleitete
Aktionspotentiale einer Nervenfaser. Sowohl in der Nähe
des Hinterhauptloches als auch am distalen Vorderrand
der Medulla wurden C-Spikes gefunden, die bei
oberflächlicher Betrachtung der isolierten
Postspikekomponente ähneln (Abb. 9M). Eine Zuordnung
der in Abb. 9 L und M dargestellten Spikeformen
zu den Quellen der Prae- bzw. Postspikes ist
jedoch nicht ohne weiteres möglich.
7. Schluß f olgerungen. Die Versuche haben ergeben, daß
der extrazellulär gemessene Zeitverlauf von C- Spikes
wesentlich vom gewohnten Bild fortgeleiteteter
Aktionspotentiale abweicht. Die Spikes bestehen aus zwei
Komponenten, die in einer festen Zeitbeziehung
zueinander stehen : Praespike und Postspike. Die beiden
Komponenten werden von zwei räumlich unterscheidbaren
Quellen erzeugt. Durch selektive Ausschaltung der
Postspikequelle zeigt sich, daß zur Erzeugung der
Praespikes die Aktivität der Postspikequelle nicht notwendig
ist. Die Existenz mehrerer Postspikequellen kann nicht
ausgeschlossen werden.
V. Elektrophysiologische Lokalisation
des C-Spike-Systems
Im vorigen Kapitel wurde festgestellt, daß C-Spikes durch
die nahezu gleichzeitige Aktivität von mindestens zwei
Zellen entstehen und daß diese Aktivität an teilweise weit
auseinanderliegenden Orten der Cerebralganglien
registriert werden kann. Die folgenden Experimente sollen
Aufschluß darüber geben, auf welchen anatomischen
Bereich das C-Spike-System beschränkt ist und welche
Wechselwirkungen zwischen den Zentren der C-Spike-
Aktivität bestehen.
1. Verbindungen zum Thorax. Um den Wirkungsbereich
des C-Spike-Systems einzugrenzen wurde zunächst geprüft,
ob wichtige Verbindungen zum Thorax bestehen, die bei
weiteren Untersuchungen zu berücksichtigen wären. Dazu
wurde bei neun Tieren etwa 15 min nach Einstich der
Elektrode, während der C-Spike-Registrierung, der Hals
der Fliege durchtrennt und damit alle leitenden
Verbindungen zum Thorax unterbrochen. Bei drei Tieren
wurde der Hals vor der Durchtrennung mit einer
Haarschlinge abgebunden, die zunächst lose angelegt
war und unmittelbar vor dem Schnitt zugezogen wurde.
Die Spikes waren bei allen Tieren nach dem Schnitt noch
vorhanden und bestanden unverändert aus Prae- und
Postspikes. Die Spikefrequenz war nach der Ligatur bzw.
dem Schnitt zunächst sehr unregelmäßig und fluktuierte
um maximal ±40% des ursprünglichen Mittelwerts. An
den drei Tieren mit abgebundenem Hals konnten die
Spikes noch länger als 2 Std. nach dem Schnitt registriert
werden. Während dieser Zeit beruhigte sich die
Spikefrequenz und war gegen Ende der Versuche wieder
annähernd so regelmäßig wie zuvor (z. B. vor dem Schnitt
σ=±2,4%, nachher

64 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
σ = ± 2,9 % des Mittelwerts). Die Unregelmäßigkeit
der Spikefrequenz nach der Ligatur bzw. dem Schnitt
ist möglicherweise die Folge eines „traumatischen
Schocks"; ähnlich abklingende Störungen der Spikefrequenz
werden auch nach rascher Präparation der
Fliegen beobachtet.
Da die C-Spikes durch die Abtrennung des Thorax
weder abbrechen noch in ihrem Zeitverlauf verändert
werden, darf man annehmen, daß aus dem Thorax
keine zu ihrer Erzeugung notwendigen Verbindungen
kommen. Die Experimente lassen natürlich nicht erkennen,
ob Verbindungen zum Thorax bestehen, die
unter natürlichen Bedingungen die Spikefrequenz beeinflussen.
2. Wechselwirkungen zwischen linker und rechter Kopfhälfte.
Nachdem das C-Spike-System auf den Kopfbereich
eingegrenzt wurde, ist zu fragen, welche
Wechselwirkungen zwischen den beiden C-Spike-Zentren
bestehen, die man aufgrund der Bilateralsymmetrie für die
rechte und linke Kopfhälfte fordern muß.
Hierzu wurden zwei unabhängige Meßelektroden an der
linken und rechten Meßstelle zwischen Medulla und Lobula
eingestochen, C-Spikes registriert und auf Parallelspuren des
Magnetbandes gespeichert. Zur Auswertung wurden Intervall
und Latenzhistogramme angefertigt. Für die Latenzhistogramme
wurde der CAT Averager durch Spikes der rechten Kopfhälfte
gestartet und die Geschwindigkeit des Adressenvorschubs so
eingestellt, daß die 400 Analysatorkanäle ungefähr in der
doppelten Zeit der mittleren Intervalldauer τ rechts durchlaufen
wurden. Die Spikes der linken Seite wurden je nach dem
Zeitpunkt ihres Auftretens, einem der Analysatorkanäle und
damit einer bestimmten Phasenlage im mittleren Cyclus der
rechtsseitigen Spikes zugeordnet. Bei strikter Phasenkopplung
zwischen Spikes der rechten und linken Seite sollte man eine
schmale Verteilung erwarten deren Standardabweichung σ je
nach Phasenlage σ l ≤ σ ≤ √σ r + σ 2 l ≈ σ l√2. Mit schwächer
werdender Kopplung würde diese Verteilung immer breiter und
ginge im Grenzfall unabhängiger Spikes der linken und rechten
Quelle in eine Gleichverteilung über.
Bei allen vier Experimenten dieser Art ergaben die
Paare von Intervallhistogrammen geringfügige Unterschiede
der mittleren Spikefrequenz auf beiden Seiten. In
Abb. 10 ist eines der vier Experimente dargestellt; Abb.
l0A zeigt die beiden Intervallhistogramme über jeweils
ca. 100000 Intervalle. Das Verhältnis der Mittelwerte
τ r/τ l = 0,95. Damit ist eine stabile Phasenkopplung
zwischen Spikes der rechten und linken Seite unmöglich.
Trotzdem könnten immer noch Wechselwirkungen
bestehen, die zu einer bevorzugten Zeitbeziehung
zwischen Spikes der beiden Seiten führen. In Abb. 10B
sind dieselben Spikes wie in Abb.10A als Latenzhistogramm
aufgetragen. Die Gleichverteilung der
linksseitigen Spikes zeigt, daß unter konstanten
Bedingungen keinerlei Wechselwirkung zwischen den C-
Spikes beider Kopfhälften festzustellen ist.
Aus den Befunden geht hervor, daß das linke und
rechte C-Spikesystem weitgehend autonom sind. Die
weiteren Untersuchungen können daher zunächst auf eine
Kopfseite beschränkt werden.
3. Verknüpfung der ipsilateralen C-Spike-Zentren.
Im Laufe dieser Untersuchung wurden in 162 von 280
Versuchen C-Spikes registriert, die aus Prae- und
Postspike bestanden. Dabei waren die Punkte, an denen
die Meßelektrode in die optischen Ganglien eingestochen
wurde, zwar nicht homogen verteilt, doch
lagen die Einstichpunkte der erfolgreichen Registrierungen
bevorzugt in einem relativ kleinen Bereich um
das frontale Drittel der oberflächlichen Grenzlinie
zwischen Lobula und Medulla. Diese Region wird im
folgenden als „peripherer" C-Spike-Bereich bezeichnet.
Die Zeitbeziehungen zwischen C-Spikes verschiedener
Meßstellen der ipsilateralen Kopfseite wurden durch eine
Reihe von Simultanableitungen mit zwei unabhängigen
Meßelektroden untersucht, wobei stets eine Elektrode in
den peripheren Bereich eingestochen wurde und die dort
registrierten Spikes als zeitliche Bezugspunkte dienten.
Mit der zweiten Elektrode wurde die ipsilaterale
Kopfhälfte abgetastet.
Zur Bestimmung der Kopplung zwischen den Potentialänderungen
am Ort der beiden Elektroden wurden zunächst die
beiden Signale im Takt der Referenzspikes (mit der in Kap. IV
beschriebenen Verzögerungsmethode) simultan gemittelt. Bei
unabhängigen Potentialänderungen an beiden Elektroden sollte
man hierbei erwarten, daß aus den C-Spikes des peripheren Bereichs die
mittlere Spikeform gebildet wird, während sich die Signale der
Suchelektrode zu einer Gleichverteilung addieren. Im Falle gekoppelter
Potentialänderungen am Ort der zwei Elektroden erwartet man entweder
Synchronie oder eine Zeitdifferenz zwischen den beiden gemittelten
Potentialänderungen. Synchronie der beiden Mittelwerte kann entweder
bedeuten, daß beide Elektroden wegen der Ausdehnung der
extrazellulären Potentialfelder die Aktivität einer Quelle
registrieren, oder, daß zwei Quellen synchron aktiv sind. Eine feste
Zeitdifferenz zwischen den beiden Mittelwerten gibt im allgemeinen
Auskunft über die Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit eines
Signals entlang einer erregbaren Struktur.
Wie zu erwarten, ist die elektrische Aktivität in der
unmittelbaren Umgebung des peripheren C-Spike-
Bereichs synchron mit den Signalen der ortsfesten

9. Bd.. Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 65
Elektrode im Zentrum dieses Bereichs. Der Raumbereich
dieser Synchronie ist elongiert und erstreckt sich ungefähr
entlang einer Geraden zwischen dem Foramen occipitale
und dem distalen Vorderrand der Medulla externa, seine
Grenzen sind fließend. Im Bereich der Lamina
ganglionaris, des Chiasma externum, sowie der
posterioren und lateralen Anteile der Medulla wurden
meist keine oder nur schwache C-Spikes gefunden, die in
allen Fällen synchron mit den Signalen der ortsfesten
Elektrode waren. Im Bereich des Mittelgehirns wurden in
13 von 28 Versuchen dicht beim Antennenglomerulus
Spikes mit dem Zeitverlauf axonaler Aktionspotentiale
gemessen (Abb. 9L). Diese Impulse wiesen häufig keine
positive Anfangsphase auf, was darauf hindeutet, daß sie in der
Nähe ihres Entstehungsortes registriert wurden. Diese
zentralen Spikes waren stets streng mit den Spikes in der
Peripherie korreliert und traten früher auf, als die dortigen
Praespikes (Abb. 11 A).
Katz u. Miledi (1965a) haben an der neuromuskulären
Endplatte des M. sartorius des Frosches mit vergleichbaren
Methoden die Aktionspotentiale der nicht myelinierten motorischen
Endverzweigungen extrazellulär registriert und festgestellt,
daß sich die Spikeform in der Nähe der „blinden" Enden dieser
Fasern drastisch ändert; in der Mitte zwischen dem letzten
Myelinsegment und dem blinden Ende der Fasern ist die
Spikeform triphasisch und besitzt ein ausgeprägtes
Potentialminimum (wie in Abb. 9D, L); in der Umgebung des
blinden Endes selbst wird die Spikeform biphasisch mit einem
ausgeprägten Maximum. Kontrollexperimente an Muskelfasern
bei simultaner intrazellulärer Ableitung ergaben vergleichbare
Änderungen im extrazellulär registrierten Potentialverlauf,
während die Potentialänderung über der Zellmembran unverändert
blieb. Aus diesen Messungen geht hervor, daß der erste
Nulldurchgang der triphasischen Spikes und das Maximum der
biphasischen Spikes ungefähr zeitlich zusammen
fallen.
Die Laufzeitmessung am C-Spike-System wurde unter
der Voraussetzung vorgenommen, daß die biphasischen
Praespikes (s. Abb. 9K2) im peripheren Bereich ebenfalls
von „blinden" Axonendigungen erzeugt werden. Der
korrespondierende Punkt im Zeitverlauf der zentralen Spikes
liegt zwischen dem Beginn der Potentialänderung und ihrem
Minimum. Dementsprechend sind die peripheren Praespikes
bei 20 ° C um die Laufzeit 190 µs ≤ ∆ t ≤380 µs gegenüber den
zentralen Impulsen verzögert (Abb. 11 B).
4. Synaptische Verzögerungszeit. Die zentrifugale
Ausbreitung der Erregung sowie der Zeitverlauf peripherer
Praespikes und die selektive Ausschaltung der Postspikes
(s. IV-5) weisen darauf hin, daß die Postspikequelle durch
die Praespikes synaptisch erregt wird. Der zeitliche Abstand
zwischen dem Maximum der Praespikes und dem Beginn
der Postspikes entspricht also demnach einer synaptischen
Verzögerungszeit, wie sie Katz u. Miledi (1965 b) an der Nerv-
MuskelEndplatte des M. sartorius des Frosches definiert
haben. Diese Autoren zeigten auch, daß die synaptisehe
Verzögerungszeit eine Funktion der Temperatur ist (Katz
u. Miledi, 1965d). Diese Abhängigkeit wurde am C-Spike-
System von Musca anhand einer Spikeserie bestimmt, bei
der die Temperatur in der Umgebung des Versuchstieres
mit dT/dt< ±0,1° C/min zwischen 13 und 41° C geändert
wurde (s. III-2). Abb. 14 zeigt diesen Zusammenhang,
wobei die Meßwerte mit etwa gleich verteilter Dichte bei
steigender und bei fallender Temperatur bestimmt wurden;
jeder Meßpunkt ist ein Mittelwert aus ungefähr 600 bis 1000
Einzelereignissen. Die synaptische Verzögerungszeit beträgt
bei 20 ° C 0,7 ms, der Temperaturkoeffizient ist hier im
Mittel Q 10 =1,86.
5. Schlußf olgerungen. Aus dem Zeitverlauf der zentralen
Spikes, ihrer strengen Korrelation zu den peripheren C-
Spikes und der beobachteten Zeitdifferenz darf man schließen,
daß die Spikes im Bereich des Mittelgehirns erzeugt werden,
zentrifugal entlang eines Axons in die Peripherie geleitet
werden und dort als Aktivität axonaler Endverzweigungen
wieder in Erscheinung treten.
Die Postspikequelle wird sehr wahrscheinlich nach einer
temperaturabhängigen Verzögerungszeit durch die Quelle der
Praespikes synaptisch erregt. Da die in der Peripherie
gemessenen C-Spikes in 162 von 168 Registrierungen aus Prae-
und Postspike bestehen,

66 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
muß man fordern, daß die axonalen Endverzweigungen
insgesamt eine große aktive Oberfläche haben und daß sie in
einem relativ großen Gebiet verteilt sind. Wie bereits im
vorigen Kapitel gezeigt wurde, treten an beiden Enden des
elongierten Bereichs peripherer C-Spikes Potentialformen auf,
die reinen Postspikes ähneln. Es ist denkbar, daß die Dichte
der praesynaptischen Endigungen in diesen Regionen so
gering ist, daß dort keine Praespikes mehr nachweisbar sind.
Nach diesen Befunden ist mit einer verhältnismäßig
großflächigen Postspikequelle von mehreren Hundert µm
Länge zu rechnen.
VI. Elektrophysiologische Charakterisierung
der Postspikequelle
Aus den Befunden des vorigen Kapitels geht hervor,
daß die Postspikequelle sehr wahrscheinlich relativ groß ist.
Im folgenden wird versucht, die Zellen, die Postspikes
erzeugen, durch intrazelluläre Ableitungen genauer zu
charakterisieren.
1. Intrazelluläre Ableitung. Hierzu wurden mit 3M-
KCl-gefüllte Kapillarelektroden mit einem Gleichspannungswiderstand
von 10-30 MΩ verwendet. Die
Filterkette wurde überbrückt und stationäre Potentialdifferenzen
zwischen den Elektroden mit einer variablen
Zusatzspannung kompensiert. Wie bisher wurden die
Elektroden in das Zentrum der peripheren C-Spike-Aktivität
eingestochen, da hier (nach IV-5) zu erwarten war, daß die
Meßelektrode auf die Postspikequelle trifft. Bei 8 von 20
Versuchen trat in ca. 470 µm Abstand von der
Ganglienoberfläche ein Potentialsprung von ungefähr 60
mV in negativer Richtung auf, der das Eindringen der Elektrode
in eine Zelle anzeigt. Gleichzeitig erschienen sehr
regelmäßige Spikes von + 30 bis + 60 mV Amplitude.
Diese Spikes sind in Abb. 13A und B dargestellt. Die
einzelne Potentialänderung beginnt bei 20,3 ° C mit einem
raschen Anstieg in Richtung positiver Polarität, erreicht
nach ca. 0,8 ms ein Maximum, fällt dann etwas flacher
ab, durchläuft ca. 2,5 ms nach Beginn das Ruhepotential
und endet mit einem über mehrere Millisekunden abklingenden,
hyperpolarisierenden Überschwingen von 3-5
mV Amplitude. Durch den Potentialsprung beim
Einstechen, Richtung und Größe der Potentialänderung
sowie dem Fehlen von Praespikes ist sichergestellt, daß diese
Ableitungen intrazellulär erfolgten. Während der
Spikeintervalle werden gelegentlich depolarisierende
Miniaturpotentiale von 1-2 mV Amplitude beobachtet, die
zeitlich unabhängig von den Spikes auftreten und den
charakteristischen Zeitverlauf von postsynaptischen
Miniaturpotentialen (Fatt u. Katz, 1950; Dudel u. Orkand,
1960; Katz u. Miledi, 1963; Usherwood, 1963) aufweisen
(Abb. 13C). Die in Abb. 13 A sichtbare Regelmäßigkeit und
Größe der Impulsrate (47 Imp/s bei 20,3 ° C) zeigen, daß es
sich um C-Spikes handelt.
2. Zeitbeziehung zwischen intra- und extrazellulären Spikes.
Die eindeutige Zuordnung zu den Prae- oder Postspikes
gelingt durch Simultanableitung mit einer
Kapillarelektrode im intrazellulären Raum (Abb. 14A) und
einer niederohmigen Metallelektrode im extrazellulären
Raum (Abb. 14B) der unmittelbaren Umgebung.
Ein Vergleich der beiden Registrierungen zeigt unmittelbar,
daß die intrazellulär gemessenen Potentialänderungen
in allen Fällen mit dem Postspike der extrazellulär
gemessenen C- Spikes zusammenfallen.
Die Zeitdifferenz zwischen dem Maximum der
extrazellulären Praespikes und dem Beginn der intrazellulären
Potentialänderungen beträgt bei 20 ° C ungefähr 0,7
ms. Dieser Zeitunterschied ist nicht auf die unterschiedlichen
dynamischen Eigenschaften der Ableitsysteme
zurückzuführen, sondern entspricht der in Kap. V-3
geforderten synaptischen Verzögerungszeit. Allerdings treten
bei diesen Simultanableitungen geringfügige Unterschiede in
der Größe der gemessenen Verzögerungszeit auf, da die
Postspikequelle eine erhebliche Ausdehnung besitzt (s. V-4)
und die Spitzen der zwei Elektroden an unterschiedlichen
Orten liegen.
3. Erregbarkeit der Membran. Die intrazellulären
Ableitungen der Postspikes waren in allen Präparaten nur für
kurze Zeit stabil. Im allgemeinen setzte bereits nach wenigen
Sekunden ein Degradierungsprozeß ein, der sich bisweilen
über viele Minuten erstreckte, ehe die Zelle vollständig
zerstört war. Als wahrscheinlichste Ursache hierfür sind
Gewebebewegungen zu nennen, die auch bei äußerlich sehr
fest fixierten

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 67
Tieren, besonders durch Kontraktionen der Kopfmuskulatur
auftreten können. Bei ortsfester Elektrode führt
dies zwangsläufig zu Verletzungen der Zelle und zu einem
unkontrollierten, passiven lonenstrom durch das Leck in
der Zellmembran. Damit sind elektrische
Degenerationserscheinungen verbunden, aus denen
qualitative Aussagen über die elektrischen Eigenschaften
der Zelle bzw. Zellmembran gewonnen werden können
Unabhängig vom Erregungstyp der Membran sollte man
erwarten, daß das Ruhepotential bei konstanter Leckleitfähigkeit
auf einen Wert abfällt, der durch das dynamische Gleichgewicht
zwischen dem Leckstrom und der aktiven lonenpumpe der Zelle
bestimmt ist. Bei einer elektrisch erregbaren Membran sollte die
Depolarisierung durch den Leckstrom solange zu hochfrequenter
Impulsaktivität benachbarterMembranareale führen, bis die
Erregbarkeit der Membran blockiert wird (Stein, 1967). Mit
steigender intrazellulärer Na+-Konzentration sollte der
Zeitverlauf der Aktionspotentiale zunehmend breiter und ihre
Amplitude kleiner werden (Baker et al., 1962). Bei einer
elektrisch nicht erregbaren Membran erwartet man ähnliche
Veränderungen im Zeitverlauf der postsynaptischen
Potentialänderungen, ihre Frequenz sollte aber ausschließlich von
der Aktivität der praesynaptischen Elemente abhängen.
Bei den intrazellulär registrierten Potentialänderungen
der Postspikequelle wurden folgende Degenerationserscheinungen
beobachtet : Das Ruhepotential sinkt
mehr oder weniger rasch ab, parallel dazu wird die
Spikeamplitude immer kleiner. Der Zeitverlauf wird
immer breiter, das hyperpolarisierende Überschwingen
verschwindet schnell und die Repolarisationsphase
wird erheblich verlängert (Abb. 15B). Bei der
Mehrzahl der Präparate stellt sich nach anfänglich
rascher Degradierung ein „quasistationärer" Zustand
ein, in dem die Spikeamplitude für mehr als 15 min bei
1-5 mV stabilisiert bleibt. Dieser Zustand entspricht
wahrscheinlich dem dynamischen Gleichgewicht
zwischen dem passiven Leckstrom und dem aktiven
Ionentransport der Zelle entgegen dem Konzentrationsgefälle
über ihrer Zellmembran. Die Leistungsfähigkeit
der Ionenpumpe zeigt sich bei wiederholtem
Einstechen und Zurückziehen der Meßelektrode,
deren Spitze dabei meist abbricht. Wird die Elektrode in
den extrazellulären Raum zurückgezogen, so
registriert man typische C-Spikes von ca. 500 µV
Amplitude, die wie in Abb. 9D2 aus Prae- und Postspike
bestehen. Beim Vorschieben der Elektrode erfolgt
ein Potentialsprung von etwa 5 mV in negativer
Richtung, danach ist die Potentialform monophasisch
positiv und erreicht einige Millivolt an Amplitude.
Abb. 15C zeigt Ausschnitte aus einer Registrierung,
während der eine abgebrochene Elektrode ungefähr
120mal nacheinander in dieselbe Zelle eingestochen
wurde, ohne daß die Erzeugung von Spikes blockiert
worden wäre. Dabei wurde die mäanderförmige
Änderung des mittleren Potentials zwischen intra-und
extrazellulären Registrierabschnitten durch ein
Hochpaßfilter mit einer Zeitkonstante von 100 ms
unterdrückt, um eventuelle Übersteuerungen zu vermeiden.
Die Spikefrequenz bleibt während des ganzen
Degenerationsprozesses und auch bei wiederholtem
Einstechen unverändert und ebenso regelmäßig wie bei
extrazellulärer Registrierung. Die dramatischen
Änderungen im Zustand der postsynaptischen Zelle
bzw. der Zellmembran, die sich in den Veränderungen
des Ruhepotentials und der Spikeform ausdrücken,
haben keinen Einfluß auf die Spikefrequenz. Dies zeigt
unmittelbar, daß die Membran, welche die Postspikes
erzeugt, nicht dem elektrisch erregbaren Typ angehören
kann. Dementsprechend können Postspikes keine
fortgeleiteten Aktionspotentiale nach dem Alles-oder-
Nichts-Modus sein, sondern müssen als „Postsynaptische
Potentiale (PSP)" verstanden werden, wie sie z. B. von
Muskelfasern der Crustaceen (Fatt u. Katz, 1953 b) und
Insekten (Cerf et al., 1957; Usherwood, 1962b) bekannt
sind.
4. Mehrere Postspikequellen. In einem weiteren Experiment
wurde zunächst eine postsynaptische Zelle durch wiederholtes
Einstechen mit einer abgebrochenen Kapillarelektrode so weit
verletzt, daß das „Ruhepotential" zwischen den degenerierten
Spikes nur noch ungefähr 3 mV betrug. Bei weiterem Vorschub
der Elektrode erschienen plötzlich nach einem großen
Potentialsprung in negativer Richtung erneut intrazelluläre C-
Spikes von 40 mV Amplitude und mit

68 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
ausgeprägtem hyperpolarisierendem Überschwingen (Abb.
15D). Wie zu erwarten, degenerierten diese Spikes sehr
rasch, da sie aber mit Sicherheit nicht von der zunächst
zerstörten Zelle stammen können, ist damit die Existenz
von mindestens zwei Postspikes erzeugenden Zellen im
Bereich der Lobula-MedullaRegion nachgewiesen.
5. Lokalisation der Postspikequellen. Die geschilderten
Eigenschaften der Zellen, die Postspikes erzeugen, sind
nicht mehr mit der Vorstellung vereinbar, daß es sich um
Neurone handeln könnte, obwohl C-Spikes in zahlreichen
Experimenten mit extrazellulären Elektroden innerhalb der
optischen Ganglien registriert wurden. Die räumliche
Beziehung zwischen den Zellen, die Postspikes erzeugen,
und den optischen Ganglien wurden daher durch ein Experiment
untersucht, in dem die Amplitude der C-Spikes mit
der Amplitude einer räumlich unspezifischen
Summenreaktion auf kurze Lichtblitze als Funktion des
Elektrodenorts verglichen wurde.
Hierzu wurde eine mit 3M NaCl-gefüllte Kapillarelektrode.
von ca. 1 µm Spitzendurchmesser schrittweise von
der Ganglienoberfläche in Richtung auf das periphere
Zentrum der C-Spike-Aktivität vorgeschoben. Während
der ganzen Meßzeit wurden ca. 80% aller Ommatidien im
Abstand von 3s mit räumlich homogen verteilten
Weißlichtblitzen von ∆t=10µs gereizt. Die
Beleuchtungsstärke der Blitze am Ort der Fliege betrug
etwa 10 5 Lx. Die Summenreaktion auf solche Blitze setzt
nach einer Latenzzeit von 10 ms ein und besteht aus
mehreren gut reproduzierbaren Phasen (Abb. 16A, B). Sie
soll hier,um Verwechslungen mit dem
Elektroretinogramm (ERG) zu vermeiden, der Einfachheit
halber „Blitz-Elektroencephalogramm" (BEEG) genannt
werden.
Abb. 17 zeigt, daß die Amplitude des BEEG unmeßbar
klein ist, solange sich die Meßelektrode im Hämolymphraum
des Hinterhauptes befindet (0 bis 180 µm). Nach
dem mikroskopisch kontrollierten Aufsetzen (180 µm)
bzw. Eindringen der Elektrode in die optischen
Ganglien, wächst die BEEG-Amplitude bis auf 1,5 mV.
Man darf vermuten, daß der steile Amplitudenrückgang
ab etwa 630 µm den Durchtritt der Elektrode durch die
gegenüberliegende Ganglienoberfläche anzeigt. C-Spikes
wurden bei diesem Versuch bei ca. 600 µm erstmals im
Rauschen wahrnehmbar (Abb. 16A) und erreichten bei 670
µm ihre Maximalamplitude. Abb. 16B zeigt die
Registrierung von einem BEEG und mehreren C-Spikes
bei 660 µm.
Der steile Abfall der BEEG-Amplitude zwischen 620
und 700 µm läßt vermuten, daß der Gesamtwiderstand zwischen
Meß- und Referenzelektrode, und damit der extrazelluläre
Shuntwiderstand in der Umgebung der Meßelektrode stark
zurückgeht. Da die Amplitude der C-Spikes im gleichen
Vorschubbereich ansteigt, sind die Zellen, die C-Spikes
erzeugen, offensichtlich dicht außerhalb der optischen
Ganglien zu suchen.
6. Schlußfolgerungen aus den elektrophysiologischen
Experimenten. Aus den bisher geschilderten Experimenten
wurde geschlossen, daß C-Spikes eine komplexe
Potentialänderung darstellen, in der die Aktivität von
zwei Zellen bzw. Zellgruppen erfaßt wird.
Ausschaltungsexperimente haben gezeigt, daß alle
Elemente, die zur Erzeugung der C-Spikes notwendig sind,
innerhalb des Kopfes liegen. Die C-SpikeSysteme beider
Kopfhälften sind autonom. Unter konstanten Bedingungen
können selbst relativ geringe Wechselwirkungen durch die
vorliegenden Untersuchungen ausgeschlossen werden.
Das C-SpikeSystem einer Kopfhälfte enthält mindestens ein
Neuron im medianen Bereich der Cerebralganglien, das
regelmäßig Praespikes erzeugt, die als fortgeleitete Aktionspotentiale
entlang einer oder mehrerer Nervenfasern zum
peripheren C-Spike-Bereich geleitet werden. Dort treten die
Praespikes als Aktivität axonaler Endverzweigungen in
Erscheinung, die mit großer Dichte über ein vergleichsweise
großes Volumen verteilt sein müssen. Die axonalen
Endverzweigungen steuern mehrere sehr große Zellen an,
die nach einer synaptisehen Verzögerung von etwa 0,7
ms (bei 20 ° C) Postspikes erzeugen. Diese Zellen haben
keine elektrisch erregbare Membran und liegen ungefähr
am ventralen Vorderrand der Medulla, und zwar offensichtlich
außerhalb der optischen Ganglien.

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 69
VII. Histologische Identifizierung
der C-Spikes erzeugenden Zellen
Um die Strukturäquivalente für die „ Quellen" von Prae-
und Postspikes aufzufinden, werden im folgenden
histologische Methoden zur Lokalisation der Meßstellen
angewendet. Nach der Identifizierung der beteiligten
Strukturen soll das C-Spike-System anatomisch
rekonstruiert werden.
1. Anatomische Übersicht. Abb. 18 gibt eine Übersicht
über die Anordnung der wichtigsten Organsysteme im Kopf
der Stubenfliege, soweit sie mit den elektrophysiologischen
Experimenten in Beziehung stehen. Die Abbildung zeigt
einen knapp dorsal zur Antennenbasis bzw. zum Hals
geführten Horizontalschnitt, bei dem die Nervenfasern durch
Silberimprägnierung besonders hervorgehoben sind.
Die Gewebe sind nach außen durch die Kopfkapsel aus
Chitin abgeschlossen. Zu diesem Exoskelet gehören
zahlreiche Chitinleisten, von denen in Abb. 18 nur eine
Hinterhauptleiste und die Orbitalleiste im Querschnitt
getroffen sind. Die Orbitalleiste umschließt die
Randommatidien der Retina bis zur Basalmembran, die
innerhalb der ringförmigen, proximalen Kante der
Orbitalleiste aufgespannt ist. Die Cerebralganglien liegen
zwischen den beiden Komplexaugen quer im Kopf. An die
Ommatidienschicht schließen nach proximal die Ganglien des
Lobusopticus an, die durch gekreuzte Faserbündel miteinander
verbunden sind : 1. Lamina ganglionaris, 2. Medulla
externa sowie 3. Lobula und Lobula plate. Von den
Ganglienmassen des Mittelgehirns sind in Abb. 18 im
opticus an, die durch gekreuzte Faserbündel miteinander
verbunden sind : 1. Lamina ganglionaris, 2. Medulla externa
sowie 3. Lobula und Lobula plate. Von den Ganglienmassen
des Mittelgehirns sind in Abb. 18 im wesentlichen Bereiche
des Protocerebrums dargestellt. Große Teile des
Kopfvolumens werden von Luftsäcken eingenommen, die
von den Halstracheen abzweigen und die Cerebralganglien
fast allseitig umschließen.
Alle übrigen Organsysteme, wie Fettkörper,
Muskulatur, Verdauungstrakt und periphere Nerven, liegen
in schmalen Hämolymphräumen zwischen Luftsäcken und
Cuticula.
2. Lokalisation der elektrophysiologischen Meßstellen.
In Abb. 18 sind in groben Umrissen die Bereiche angegeben,
durch die eine Meßelektrode geführt werden muß, um in einer
mehr ventral liegenden Ebene auf die Zentren der C-Spike-
Aktivität zu treffen. Im Bereich Z werden die zentralen
Spikes registriert, deren Zeitverlauf einem axonalen
Aktionspotential gleicht (siehe Abb. 9L). Im Bereich P
werden die peripheren C-Spikes registriert, die aus Prae-
und Postspikes bestehen (s. Abb. 9A).
Zur Markierung der Ableitstellen wurde (ähnlich wie bei der
Postspikeausschaltung, s. IV-5) ein hochfrequenter Stromstoß
durch die Meßelektrode geschickt und dadurch das Gewebe um
die Elektrodenspitze coaguliert (Ballintijn, 1961). Stärke und
Dauer des Stromstoßes wurden hier so gewählt,

70 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
daß einerseits die Silhouette der Spitze durch die histologische
Prozedur nicht wesentlich verändert wurde und daß anderer
seits keine groben Verletzungen durch anhaftendes Gewebe beim
Zurückziehen der Elektroden entstanden. Als Elektroden
lokalisation wurde stets der letzte sichtbare Querschnitt des
Elektrodenstichkanals in einer vollständigen Schnittserie gewertet.
Im Bereich Z waren vier von fünf Lokalisationsversuchen
erfolgreich. Abb. 19 zeigt ein Beispiel, bei
dem die Elektrodenspitze in der Zellkörperschicht ventral
des Antennenglomerulus lag (Pfeil in Abb. 19). Die am
weitesten ventral verlaufenden Fasern der
Antennennerven, darunter die motorischen Axone der
Antennenmuskulatur waren also in unmittelbarer Nähe der
Ableitstelle. Ein auffallend dickes Axon ist in Abb. 19
gekennzeichnet. Alle vier Elektrodenlokalisationen lagen
in einem Bereich von ca. 50 µm Durchmesser an der Basis
des Antennennerven. Wegen der Dichte von Nervenfasern in
diesem Bereich erlaubt die Methode keine eindeutige
Zuordnung der registrierten Aktivität zu einer bestimmten
Faser.
Die Ergebnisse von > 30 entsprechenden Lokalisationsversuchen
im peripheren Bereich der C-SpikeAktivität
waren weniger deutlich. In der Mehrzahl der Fälle konnte die
Lage der Elektrodenspitze nicht sicher festgestellt werden, in
vielen anderen Fällen lag sie am äußersten ventralen
Vorderrand der Medulla, etwa 10-20 µm von der
Ganglienoberfläche entfernt. Die Unsicherheit dieser
Lokalisationsversuche im Vergleich zu jenen im zentralen C-
Spike-Bereich ist nach den elektrophysiologischen
Lokalisationsversuchen (s. VI-5) zu erwarten. Es ist daher
naheliegend, außerhalb der optischen Ganglien nach
mehreren großen Zellen zu suchen, von denen zu erwarten
ist, daß sie eine elektrisch nicht erregbare Membran haben.
3. Identifikation der Postspikequellen. Abb. 20 zeigt
einen um ca. 10-20° um die Querachse der Fliege
gekippten Horizontalschnitt (anterior nach dorsal) durch
die früher erwähnte, mehr ventrale Region der optischen
Ganglien. Hier befindet sich nahe am ventralen Vorderrand der
Medulla ein einzelner dünner Muskel, der an der
frontalen Innenkante der Orbitalleiste (OL), etwa in Höhe
des Augenäquators ansetzt. Der Muskel zieht von dort,
entlang der ventralen Oberfläche des Lobus opticus, zum
Foramen occipitale und setzt an einem Apodem der
Subgenalleiste an.
Da Insektenmuskeln im allgemeinen keine elektrisch
erregbare Membran haben (Hoyle, 1965) und der Muskel in
Lage, Größe und Orientierung sehr weitgehend mit dem
Bereich peripherer C-Spike-Aktivität übereinstimmt, ist
anzunehmen, daß dieser Muskel Postspikes erzeugt. Diese
Annahme wurde in elf Experimenten geprüft, bei denen
die Versuchstiere von der Frontalseite her aufpräpariert und
der Muskel freigelegt wurde. Dann wurde eine 3M KClgefüllte
Kapillare von ca. 1 µm Spitzendurchmesser unter
mikroskopischer Kontrolle auf den Muskel aufgesetzt und
später eingestochen. Bei neun Versuchen konnten keine
extrazellulären Potentialänderungen registriert werden, beim
Einstechen der Elektrode wurden lediglich
Potentialsprünge in negativer Richtung festgestellt. Bei
zwei Versuchen wurden im Augenblick des Aufsetzens
extrazelluläre C-Spikes registriert, die wie in Abb. 9C2
aus Prae- und Postspikes bestanden. Beim Einstechen
der Elektrode wurde ein Potentialsprung in negativer
Richtung und anschließend intra-
zelluläre Postspikes wie in IV-1 gemessen, die allerdings
rasch degenerierten. Die Frequenz der intra- und extrazellulär
registrierten Potentialänderungen entsprach in Größe und
Regelmäßigkeit den üblichen Werten.
Es ist anzunehmen, daß bei den neun erfolglosen
Ableitversuchen während der umfangreichen Präparation
die motorische Innervierung des Muskels unterbrochen
wurde. Die beiden erfolgreichen Ableitungen zeigen mit
Sicherheit, daß die elektrophysiologisch charakterisierte
„Postspikequelle" und der histologisch nachgewiesene
Muskel identisch sind.
4. Muskelstruktur. Der genannte Muskel besteht bei
Musca je nach Tier aus 14-20 spindelförmigen Muskelfasern
von ca. 400 µm Länge und 7-10 µm Durchmesser.
Die Muskelfasern sind quergestreift, zahlreiche
langgestreckte Zellkerne liegen in ihrer Längsachse. Aus
elektronenoptischen Querschnittpräparaten (Abb. 21) wird
die „tubuläre" Organisation dieser Fasern deutlich : Die
Zellkerne liegen im Zentrum der Querschnitte, zahlreiche
Mitochondrien sind in drei zylindrischen Lagen
angeordnet, wovon die innerste dicht bei den Kernen,
die mittlere ungefähr an der Hälfte des Radius und die
äußerste Lage unmittelbar innerhalb der Zellmembran
liegt. Dementsprechend ergeben sich zwei konzentrische
Schichten von Myofilamenten, die zu radial angeordneten,
plattenförmigen Myofibrillen zusammengefaßt sind.
Wie bei anderen Skeletmuskeln von Insekten sind die
Myofibrillen durch longitudinal orientierte Septen des
sarcoplasmatischen Reticulums voneinander getrennt,
dessen Zisternen mit radial orientierten, tubulären
Einstülpungen der Zellmembran („transverse tubules",
Andersson-Cedergren, 1959; Franzini-Armstrong u. Porter,
1964) in Kontakt treten (H. E. Huxley, 1964) und
sogenannte „Dyaden" bilden (Smith, 1966b, c), an denen
wahrscheinlich die Membranerregung auf den
Kontraktionsmechanismus übertragen wird (Peachey

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 71
u. Porter, 1959; A. F. Huxley, 1964). Jede Muskelfaser
ist von einer ca. 250 Ä dicken Basalmembran umgeben,
die stellenweise von motorischen Nervenendigungen oder
Tracheolen „unterwandert" wird. Ein Perimysium ist
nicht vorhanden. Die Muskelfasern gehören also aufgrund
ihrer Architektur zu dem verbreiteten tubulären Typ und
entsprechen auch in ihrem Feinbau weitgehend dem anderer
Skeletmuskelfasern von Insekten (Smith, 1966; Jahromi u.
Atwood, 1969).
5. Motorische Innervierung. Anhand silberimprägnierter
Schnittserien zeigt sich, daß der Muskel durch einen 10 g,m
dicken Nerven versorgt wird, der wahrscheinlich nur aus
einem einzelnen, ca. 6 im dicken Axon und einer Hülle aus
Schwannzellen besteht (Abb. 20, NV). Der Nerv tritt mit
dem Muskel ungefähr in dessen distalem Drittel in
Kontakt und verzweigt sich dort in zahlreiche Äste, die
zwischen den Muskelfasern entlanglaufen und sich dabei ständig
weiterverzweigen. Die feinsten, mit dem Lichtmikroskop
eben noch auflösbaren Fasern von < 1 ~tm Durchmesser enden
in > 20 µm langen „traubenförmigen" Nerv-Muskel-
Endplatten (Tschiriew, 1879; Meyer, 1955), bei denen die
Axonendigungen von einem Hof silberimprägnierter
Punkte von 0,3-0,5 g,m Durchmesser umgeben sind (Abb.
22A). Die einzelnen
Muskelfasern tragen zahlreiche derartige Endplatten, die
von einer oder mehreren verschiedenen axonalen
Endverzweigungen ausgehen können (Abb. 22B). Im
mittleren Bereich des Muskels sind die Endplatten fast
regelmäßig in Abständen von 30-60 µm angeordnet, an
den distalen und proximalen Enden der Muskelfasern
wird die Dichte, Ausdehnung und regelmäßige Anordnung
der Endplatten wesentlich geringer.
Elektronenoptische Querschnitte des motorischen Nervs
zeigen eindeutig, daß der Nerv nur ein Axon von etwa 6
µm Durchmesser enthält, das ebenso wie seine
Endverzweigungen von zahlreichen lamellenförmigen
Ausläufern der Schwannzellen umhüllt und zusammen mit
einer oder wenigen Tracheolen vor einer strukturarmen
Neurallamelle umschlossen wird (Abb. 21, NV, ME). Im
praeterminalen Bereich ver. schmilzt die Neurallamelle mit
der Basalmembran der Muskelfaser. Axon, Schwannzellen
und meist eine Tracheole „unterwandern" die Umhüllung der
Muskelfasern, die an diesen Stellen abgeplattet oder sogar
eingetieft sind (Abb. 21, Sy). Im synaptischen Bereich
werden die Lamellen der Schwannzellen von zerlappten
Fortsätzen der Muskelfasern verdrängt, die die nunmehr
nackten Nervenendigungen fast allseitig umschließen (Abb.
23). Das Axonlumen ist hier mit kugeligen synaptischen
Vesikeln von 400-500 Å Durchmesser ausgefüllt. An der
Innenseite der Axonmembran treten tischförmige (im
Querschnitt T-förmige) „synaptic ribbons" auf, die
bisher nur in Dipteren-Neuronen gefunden wurden
(Osborne, 1967; Trujillo-Cenóz, 1965; Boschek, 1970) und
sehr wahrscheinlich den Ort synaptischer Aktivität anzeigen. Der
synaptische Spalt zwischen prae- und postsynaptischer
Membran ist an diesen Stellen ungefähr 150-200 Åbreit.
Offenbar wird die nervöse Erregung zunächst auf die
subsynaptischen Membranareale der Muskelfaserfortsätze
übertragen und breitet sich von dort über

72 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
einen Oberflächen- und Tiefenbereich aus, dessen Größe
durch die elektrischen Eigenschaften der Muskelfaser
bestimmt ist.
Aus den licht- und elektronenoptischen Untersuchungen
geht eindeutig hervor, daß alle Muskelfasern
durch Verzweigungen des einen motorischen Axons
innerviert werden und daß jede einzelne Muskelfaser
zahlreiche neuronmuskuläre Endplatten trägt. Die
Innervierung ist also unineuronal und multiterminal
(Hoyle, 1957). Der ganze Muskel bildet eine funktionelle
Einheit und unterscheidet sich dadurch von vielen anderen
Skeletmuskeln von Insekten, bei denen mehrere anatomisch
und physiologisch unterscheidbare motorische Fasern
jeweils Teile der gesamten Muskelfaserpopulation eines
Muskels innervieren (Usherwood, 1962b; Smyth u.
Hoyle, 1963). Diese Befunde stehen im Einklang mit
den Ergebnissen der elektrophysiologischen
Untersuchungen im peripheren Bereich der C-Spike-
Aktivität: Die zahlreichen, dicht angeordneten Nerv-Muskel-
Endplatten sind sehr wahrscheinlich die Quelle der in der
Peripherie registrierten
Praespikes. Gleichzeitig zeigt die unineuronale und
multiterminale Innervierung der Muskelfasern, daß ihre
Membran nicht elektrisch erregbar ist. Damit ist
nachgewiesen, daß Postspikes im wesentlichen neuromuskuläre
Endplattenpotentiale sind.
6. Histologische Rekonstruktion des C-Spike-Systems.
In mehr als 30 silberimprägnierten Schnittserien wurde der
Verlauf des motorischen Nerven vom Muskel her
zurückverfolgt. Er zieht in einer Falte des vorderen
Luftsacks nach medial und mündet an der Basis des
ipsilateralen Antennennerven in diesen ein (Abb. 25). Von
dort zieht das motorische Axon gemeinsam mit einem Teil
der Antennenfasern ventral am Antennenglomerulus
vorbei nach posterior (s. Abb. 18, AX). Durch die Vielzahl
von Fasern läßt sich das motorische Axon in diesem Bereich
nur in wenigen Präparaten sicher weiterverfolgen. Die
vollständige Rekonstruktion anhand von fünf horizontal
und zwei frontal geführten Schnittserien ergab aber
übereinstimmend, daß das Axon nach etwa 200 µm
(gemessen von der Abzweigstelle an der Basis des N.
antennalis) in der lateralen Perikaryenschicht des
Unterschlundganglions endet. Dort liegt ein Zellkörper, dessen
kugeliger Kern einen Durchmesser von 15 µm hat, während
die Zellkerne der unmittelbaren Umgebung im Mittel 4,1
± 1,5 µm groß sind. Man darf also mit einiger
Wahrscheinlichkeit annehmen, daß dieser große Zellkern die
Lage des Motoneurons angibt, obwohl die Kontinuität der
Membranen zwischen Axon und Zellkörper bei
Silberfärbungen nicht festgestellt werden kann.
Trotz intensiver Suche mit verschiedenen optischen
Kontrastierungsmethoden (Hellfeld und Farbfilter,
Phasenkontrast, Interferenzkontrast nach Nomarski) konnten
zwischen den motorischen Endverzweigungen und dem Beginn
des motorischen Axons am Zellkörper keine Kollaterale des
Axons festgestellt werden, obwohl unter gleichen
Bedingungen durch Interferenzkontrast auch ungefärbte
Fasern von < 1 µm Durchmesser sichtbar gemacht werden
können. Direkt neben der Ansatzstelle des Axons am
Zellkörper endet eine ca. 3 µm dicke Faser, die sich
unmittelbar vor ihrem Ende mit einer scharfen Krümmung
von dorsal und medial her auf den Zellkörper zuwendet. Es
ist denkbar, daß diese Faser den dendritischen Anteil des
Motoneurons repäsentiert, der Befund kann aber anhand
der vorliegenden Präparate nicht gesichert werden.
Die Lage des Motoneurons und der Anfangsverlauf des
motorischen Axons fallen räumlich sehr genau mit dem durch
Elektrodenlokalisation definierten „zentralen" Bereich der C-
Spike-Aktivität zusammen (Abb. 18 und 19). Aus der
histologischen Rekonstruktion ergibt sich zwanglos, daß das
Motoneuron regelmäßige Spikes erzeugt, die über ein etwa
500 µm langes und 6 µm dickes Axon in die Peripherie
laufen, dort als Aktivität motorischer Endverzweigungen in
Erscheinung treten und die graduierte Erregung vieler
Muskelfasern auslösen. Aus den elektrophysiologischen
Laufzeitmessungen (s.V-3) und der histologisch bestimmten
Axonlänge zwischen den Ableitstellen ergibt sich, je nach
Abschätzung der Laufzeit zwischen zentralen und
peripheren C-Spikes, eine mittlere Geschwindigkeit der
Erregungsleitung von 1,3 m/s ≤υ ≤2,6 m/s bei 20° C.

9. Bd., Heft 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 73
Bei 3 von 36 silberimprägnierten Schnittserien wurde festgestellt,
daß eine oder mehrere dünne Fasern (ca. 1 µm) zusammen
mit dem motorischen Axon den Antennennerv verlassen
und etwa bis zur halben Entfernung zwischen Antennennerv und
Muskel in einer gemeinsamen Hülle von Schwannzellen
verlaufen. Dort zweigen die dünnen Fasern ab und laufen als
separater Nerv nach ventral und posterior. Bei zwei Schnittserien
konnte dieser Nerv bis in die Nähe des Apodems verfolgt werden,
an dem der Muskel ansetzt. Der Bestimmungsort dieser Fasern ist
ungewiß; im Sehnenbereich des Muskels konnten in den
vorliegenden Präparaten keine Anzeichen einer sensorischen oder
motorischen Innervierung festgestellt werden.
7. Muskelinsertion und Skeletstruktur. Es wurde bereits
erwähnt, daß der Muskel an der proximalen Kante der
Orbitalleiste etwa in Höhe des Augenäquators ansetzt.
Abb. 24 zeigt ein halbseitiges Skeletpräparat von Musca,
bei dem alle Gewebe außer der Cuticula durch Kochen in 10 %
KOH entfernt wurden. Durch die Cornea hindurch ist die
Orbitalleiste von außen sichtbar ; wegen ihrer Transparenz
ist in Abb. 24
jedoch nur ihre Innenkante zu erkennen. Der Muskel
inseriert an der mit I bezeichneten Stelle und die Ver-
dickung der Kante in diesem Bereich legt den Schluß
nahe, daß die durch den Muskel erzeugte Kraft auf einen
größeren, dorsoventral orientierten Bereich des Auges
übertragen wird. Diese Verstärkungsleiste geht ventral in
einen kräftigen Fuß über (Abb. 24, F), der ebenfalls zur
Orbitalleiste gehört und fest mit ihrer Außenkante, d. h.
der Kopfkapsel verbunden ist. Der Fuß hemmt vermutlich
dorsoventral gerichtete Verbiegungen der Orbitalleiste
und damit der Retina. In dorsalen Augenbereich ist die
frontale Innenkante weniger auffallend versteift und
durch einen Steg mit
der Außenkante verbunden. Zwischen dem Steg und der
Muskelansatzstelle ist die Orbitalleiste eingekerbt, so daß
der dorsale Augenbereich vom ventralen mechanisch
entkoppelt sein könnte.
Die zweite Muskelansatzstelle liegt etwas ventral und
lateral des Hinterhauptloches, das bei Musca um etwa 150-
200 µm ins Innere der Kopfkapsel vorgezogen ist. Die
Hinterhauptfläche wird durch vier kräftige Leisten
versteift, die wie die Arme eines X auf das Foramen
occipitale zulaufen und mit den Skleriten verschmelzen,
die es umgeben. Auf der ventralen Leiste entspringen dicht
beim Hinterhauptloch zwei dünne Chitinfortsätze : ein nach
medial gerichteter Haken, in dem der M. retractor haustelli
geführt wird, und ein nach lateral gerichtetes Apodem an dem
der Muskel ansetzt. Die beiden Fortsätze entsprechen sehr
wahrscheinlich dem Tentorium anderer Insekten, obwohl die
Homologie der Skeletelemente bei Musca unsicher ist. Der für
Musca bisher nicht beschriebene Muskel kann also nach seinen
beiden Anheftungsstellen (Orbitalleiste und Tentorium) als
M. orbito-tentorialis bezeichnet werden. Die sehr verschiedene
Festigkeit der Skeletstrukturen in der Umgebung
der beiden Anheftungsstellen des Muskels erlaubt den Schluß,
daß die proximale Anheftungsstelle des Muskels am
Tentorium in bezug auf den ganzen Kopf der Fliege als
Fixpunkt und die distale Anheftungsstelle an der
Orbitalleiste als beweglicher Punkt aufzufassen ist.
Der Außenrand und die Innenkante der ringförmig
geschlossenen Orbitalleiste umschließen jeweils die distale
und proximale Begrenzungsfläche des von der Retina
gebildeten Kegelstumpfs. Kein weiterer Muskel außer dem
beschriebenen setzt an diesen Strukturen an. Dementsprechend
ist die rückstellende Kraft, die der Muskelkraft
entgegenwirkt, wahrscheinlich durch die Elastizität der
Skeletstrukturen und des Augengewebes gegeben. Aus
Abb. 24 ist ersichtlich, daß die Skeletstrukturen ein relativ
kompliziertes elastisches Gebilde darstellen, dessen
Formänderungen unter statischer und dynamischer
Belastung nicht ohne weiteres aus der Struktur vorausgesagt
werden können. Es ist aber wahrscheinlich, daß die
Muskelkraft in erster Linie Bewegungen der proximalen
Begrenzungsfläche der Retina bewirkt, weil der Muskel
an der Innenkante der Orbitalleiste ansetzt.
8. Zusammenfassung der anatomischen Befunde an
Musca. Die Ergebnisse der morphologischen Untersuchungen
an Musca sind in Abb. 25 in vereinfachter
Darstellung zusammengefaßt. Da die beteiligten Strukturen
in einem Bereich von ca. 150 µm dorsoventraler
Ausdehnung liegen, wurden sie in eine mittlere,
horizontale Schnittebene projiziert, die ungefähr 200 µm
ventral zu der in Abb. 18 dargestellten Ebene liegt.
Aus Abb. 25 ist außer den bereits geschilderten Befunden
zu entnehmen, daß die Richtung der Kraft, mit der der
Orbitotentorialmuskel an der Orbitalleiste angreift recht
genau senkrecht auf der Achse der frontalen Ommatidien
steht. Im Zusammenhang mit der Skeletstruktur, die
ungefähr horizontale Bewegungen der Ommatidienbasis
eher zuläßt als z. B. dorsoventrale, ist zu vermuten, daß
Skeletstruktur und Aktionsrichtung des Muskels in diesem
Sinne aufeinander angepaßt sind.

74 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
9. Vergleichende Untersuchungen an brachyceren Fliegen.
Eingangs wurde die Frage gestellt, ob die für Calliphora
beschriebenen „clock-spikes" (LeutscherHazelhoff u.
Kuiper, 1966) artspezifisch oder weiter verbreitet sind.
Die elektrophysiologischen Experimente an Musca ließen
eine „physiologische Homologie" zwischen den beiden
Fliegenfamilien erkennen. Histologische Untersuchungen an
Calliphora erythrocephala und Drosophila melanogaster
(Drosophilidae, Diptera) ergaben, daß ein entsprechender
Muskel bei den zwei Arten existiert, daß das Tentorium in
beiden Fällen ähnlich reduziert ist wie bei Musca und daß
die Muskelansatzstellen bei allen drei Fliegenfamilien
gleich liegen. Lowne (1820-92) hat den Orbitotentorialmuskel
von Calliphora als „ciliary muscle" bereits
teilweise beschrieben und die Vermutung geäußert, der
Muskel diene der visuellen Akkomodation.
Nach Abschluß dieser Arbeit wurde bekannt, daß Burtt u.
Patterson (1970) den Muskel, ebenfalls bei Calliphora,
vollständig beschrieben und als Quelle regelmäßiger Spikes
identifiziert haben.
Bei Eristalis tenax (Syrphidae, Diptera) ist das Tentorium
im Gegensatz zu den erwähnten Fliegenfamilien kräftig
ausgebildet : Zwei Tentorialarme durchziehen die
Kopfkapsel lateral zur eingezogenen Proboscis von
anterior nach posterior. Von jedem geht im vorderen Drittel
ein ca. 300 µm langer Muskel aus, der nach lateral zieht und
wieder an der Innenkante der Orbitalleiste inseriert. Durch
extrazelluläre Ableitungen von diesem Muskel konnte gezeigt
werden, daß der wesentlich anders gelagerte Orbitotentorialmuskel
von Eristalis bei 19,7° C mit 24,0 Hz
ebenfalls regelmäßig (σ=±10%) Spikes produziert wie
der entsprechende Muskel bei Musca und Calliphora. Für
Eristalis wurde der Orbitotentorialmuskel durch Schiemenz
(1957) beschrieben.
Die vergleichenden Untersuchungen an Fliegenarten
aus verschiedenen Brachycerenfamilien zeigen, daß das an
Musca eingehender untersuchte Augenmuskelsystem
zumindest innerhalb dieser Gruppe verbreitet zu sein
scheint. Dementsprechend ist zu vermuten, daß
Untersuchungen zur Funktion dieses Muskelsystems,
über die in einer weiteren Arbeit (Hengstenberg, in
Vorbereitung) berichtet werden soll, auch qualitative
Aussagen für die anderen Familien liefert.
Diskussion
Die elektrophysiologischen und morphologischen
Untersuchungen an der Stubenfliege Musca domestica und
anderen brachyceren Fliegen haben zu dem Ergebnis
geführt, daß bei dieser Insektengruppe ein Muskelsystem
existiert, das offensichtlich mit den Komplexaugen in
Beziehung steht. Dieses Ergebnis wird durch eine
Untersuchung von Burtt u. Patterson (1970) an Calliphora
bestätigt, die nach Abschluß dieser Untersuchung bekannt
wurde.
Bei Musca liegt in der lateralen Perikaryenschicht des
Unterschlundganglions auf der linken und rechten Kopfseite
je ein einzelnes Motoneuron, das ständig und spontan
Impulse erzeugt. Die Frequenz dieser Aktionspotentiale
beträgt bei 20° C ungefähr 45/s und unterliegt bei
konstanter Temperatur über viele Stunden nur geringen,
zufälligen Schwankungen. Bei Stichproben von > 10000
aufeinanderfolgenden Impulsen sind die Einzelintervalle
in guter Annäherung normal verteilt, die
Standardabweichung beträgt nur etwa ± 2,5 % des
Mittelwerts. Die Aktionspotentiale werden über einen
peripheren Nerven, der lediglich das 6 µm dicke
motorische Axon enthält, zentrifugal zu einem Muskel
geleitet, der aus 14-20 Skeletmuskelfasern des tubulären Typs
besteht. Alle Muskelfasern

9. Bd., Helt 2, 1971 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica 75
werden durch zahlreiche traubenförmige Nerv-Muskel-
Endplatten innerviert, die von Verzweigungen des einen
motorischen Axons ausgehen. Der ganze Muskel bildet also
eine funktionelle Einheit. Er inseriert einerseits im Bereich des
sogenannten „Augenäquators"(Dietrich, 1909; Kirschfeld,
1967) an der Innenkante der Orbitalleiste, d. h. an der
Basis der frontalen Ommatidien, andererseits an den
relativ starren Skeletstrukturen des Hinterhaupts.
Die elektrophysiologischen Experimente haben zur
Abgrenzung eines „peripheren" Bereichs der C-Spike-
Aktivität geführt, in dem die extrazellulär registrierten
Potentialänderungen fast immer aus Prae- und Postspike
bestehen. Dieser Raumbereich deckt sich weitgehend mit
der Ausdehnung des histologisch nachgewiesenen
Orbitotentorialmuskels, so daß die Muskelfasern als Quellen der
Postspikes identifiziert werden konnten. Ein ähnlich direkter
Beweis für die Annahme, daß die Motoneuronmembran im
Bereich der Nerv-Muskel-Endplatten die Quelle der
Praespikes darstellt, konnte nicht geführt werden. Die
Befunde der Kapitel V bis VII führen aber indirekt zu
dieser Schlußfolgerung. Die Annahme wird ferner durch
die Beobachtung gestützt, daß am distalen und proximalen
Ende des Muskels C-Spikes registriert werden können, die
keine Praespikes aufweisen. Aus histologischen
Schnittserien ist zu ersehen, daß die Dichte der motorischen
Innervierung gerade in diesen beiden Bereichen wesentlich
geringer ist als in der Mitte des Muskels. Die extrazellulär
registrierten Praespikes setzen sich wahrscheinlich aus
Beiträgen der verschiedenen Endplattenabschnitte
zusammen, wobei die Größe der Beiträge mit zunehmendem
Abstand von der Elektrodenspitze abnimmt, während die
zeitliche Folge der Beiträge durch geringfügige
Phasenunterschiede in der Aktivität dieser Bereiche bestimmt
wird.
Als Laufzeit zwischen den zentralen und den peripheren
wurden durch Simultanableitung Werte im Bereich 190 ≤∆t
[µs] ≤380 ermittelt (V-3). Die Laufzeit ist bekanntlich im
wesentlichen durch die Länge und den Durchmesser einer
Nervenfaser bestimmt, deren Größe (l = 500 µm, d= 10 µm)
in Kapitel VII für das umhüllte Axon des motorischen
Nerven bestimmt wurde. Nach Bullock u. Horridge (1965) ist für
Anneliden und Arthropoden die Laufzeit durch eine
Beziehung 0,7 l √d ≤ ∆t [ µ s] ≤1,7 l/√d gegeben, wobei 1
und d in µm einzusetzen sind. Danach liegt die zu erwartende
Laufzeit im Bereich 110≤ ∆t [µs] ≤ 270.
Berücksichtigt man die zusätzliche Laufzeitverzögerung in
den kurzen aber sehr dünnen Endverzweigungen der Nerven,
so ergibt sich eine befriedigende Übereinstimmung zwischen den
errechneten und den gemessenen Werten. Die mittlere
Leitungsgeschwindigkeit von etwa 2 m/s ist mit den
Eigenschaften der motorischen Nerven im Fliegenauge
vereinbar.
Bei der Erregungsübertragung von den motorischen
Nervenendigungen auf die elektrisch nicht erregbare
Muskelfasermembran tritt zwischen Praespike und
Postspike eine synaptische Verzögerungszeit von knapp
einer Millisekunde auf. Katz u. Miledi (1965b) haben an
der Nerv-Muskel-Endplatte des M. sartorius des Frosches
gezeigt, daß die synaptische Verzögerung durch den Prozeß
der membranpotentialabhängigen Freisetzung von
Acetylcholinquanten aus den praesynaptischen
Nervenendigungen verursacht wird. Unter den speziellen
Bedingungen dieser Experimente
(„Fokalableitung" in Ca++-freiem Medium) betrug die am
häufigsten beobachtete Verzögerungszeit 0,75 ms bei 20°
C. Der Temperaturkoeffizient der minimalen synaptischen
Verzögerung beträgt beim Frosch im Mittel zwischen 2
und 19° C Q lo = 3,14, fällt aber mit zunehmender
Temperatur von ungefähr Q lo > 4 bei 2° C auf Q lo

76 R. Hengstenberg: Das Augenmuskelsystem der Stubenfliege Musca domestica Kybernetik
Größe und Richtung der Bewegungen physiologisch
genutzt werden könnten.
Bei tetanischer Kraftentwicklung und axialer Bewegungsrichtung
der distalen Rhabdomerenenden könnte man sich
vorstellen, daß die Kappen der Rhabdomere (Trujillo-Cenöz, 1965;
Schneider u. Langer, 1966) stets in die Bildebene gelegt werden, um
so für einen Gegenstand in unmittelbarer Augennähe die Sehschärfe
der Ommatidien optimal auszunützen. Damit wäre ein
Akkommodationsmechanismus verwirklicht, der aufgrund einer
axialen Retinabewegung und nicht - wie beim Linsenauge der
Sauropsiden und Sänger - aufgrund einer Brennweitenänderung des
dioptrischen Systems erfolgen würde.
Andererseits könnten solche Bewegungen bei entsprechender
Größe benutzt werden, um den Lichtfluß in den Rhabdomeren zu
steuern, der bei fester Eingangspupille und Brennweite des
dioptrischen Apparats und konstantem Querschnitt der
lichtaufnehmenden Rhabdomere vom Abstand zwischen
Hauptebene und rezeptiver Oberfläche abhängt. Es hat sich
gezeigt, daß dieser Abstand bei einigen Insekten veränderlich ist
(Lüdtke, 1953; Eckert, 1968; Walcott, 1969). Bewegungen der
distalen Rhabdomerenenden, die nicht in den zugehörigen optischen
Achsen verlaufen, können allerdings Störungen der
Optimalbedingungen für die Funktion des „neuralen Superpositionsauges"
von Musca (Kirschfeld, 1967; Braitenberg, 1967)
hervorrufen. Umgekehrt ist es denkbar, daß die axiale Bewegung
dazu benutzt werden könnte, die distalen Rhabdomerenenden
gegenüber Störungen in den für die optimale Funktion des
„neuralen Superpositionsauges" geeigneten Positionen in
unmittelbarer Nähe der Brennebene zu halten.
Bei tetanischer Kraftentwicklung und tangentialer Bewegungsrichtung
der distalen Rhabdomerenenden würden die
optischen Achsen der Ommatidien langsame Winkelbewegungen
ausführen. Es ist denkbar, daß die visuellen Felder von Ommatidien
des linken und rechten Auges, die im Überlappungsbereich des
gesamten Sehfeldes liegen (Braitenberg, Kirschfeld, persönl. Mitt.;
Burkhardt et al., 1966), in einer bestimmten Entfernung zur
Deckung gebracht werden. Dies könnte entweder bedeuten, daß
eine konstante räumliche Anordnung der optischen Achsen gegenüber
zufälligen Störungen aufrechterhalten wird, oder daß im
Überlappungsbereich ein aktives binokulares Sehen, bzw. binokulares
Entfernungssehen in dem Sinne besteht, daß die visuellen Felder
korrespondierender Ommatidien im linken und rechten Auge am Ort
eines „interessanten" Gegenstandes zur Deckung gebracht werden.
Bei oscillierender Kraft und tangentialer Bewegungsrichtung
der distalen Rhabdomerenenden in der Brennebene des dioptrischen
Apparats würden die optischen Achsen der Ommatidien schnelle
periodische Winkelbewegungen ausführen. Damit wäre das Tier in
die Lage versetzt, die visuelle Umwelt durch ein „scanning"-
Verfahren periodisch abzutasten. Dadurch könnte einerseits das
theoretische Auflösungsvermögen des Rasters der Sehelemente
verdoppelt werden (wenn das Vorzeichen der scheinbaren Bewegung
der Musterkomponenten mit dem Vorzeichen der wirklichen
Bewegung der optischen Achsen verglichen werden kann), bzw. unbegrenzt
erhöht werden (wenn der Erregungszustand der Sehelemente
für jede Lage der optischen Achsen im Nervensystem
gesondert repräsentiert werden kann). (Götz, persönl. Mitt.).
Außerdem könnte die Wahrnehmung stationärer Kontraste in der
Helligkeitsumwelt durch solche Abtastbewegungen verbessert
werden, wenn das rezeptive System vorzugsweise auf
Helligkeitsänderungen reagiert (Kirschfeld, 1961; Kuiper u.
Leutscher-Hazelhoff, 1965b; Zettler, 1969; Heisenberg, 1971), oder
wenn stationäre Kontraste durch neurale Adaptationsvorgänge
unterdrückt werden, wie z.B. bei Vertebraten (Yarbus, 1967; Barlow,
1969).
Die hier angeführten Beispiele zeigen, daß die
Existenz des nachgewiesenen Augenmuskelsystems mit
zahlreichen - bisher nicht nachgewiesenen - Funktionen
des visuellen Systems in Verbindung gebracht werden
kann. Jede dieser Möglichkeiten setzt voraus, daß der
Muskel bestimmte Bewegungen der distalen
Rhabdomerenenden in bestimmten Richtungen bewirkt.
In einigen Fällen wäre eine Steuerung des C-Spike-Systems
durch äußere Reize (z. B. zur Erzielung einer
Lichtadaptation) bzw. durch Signale höherer Zentren (z.
B. zur Optimierung der neuralen
Superposition) unerläßlich. In anderen Fällen dagegen
wäre ein solcher Einfluß nicht unbedingt erforderlich
(z. B. bei Akkommodation, binokularem Sehen oder
binokularem Entfernungssehen), beziehungsweise unnötig
(z. B. bei der Verbesserung des Auflösungsvermögens
oder der effektiven Sehschärfe durch scanning).
Kirschfeld u. Franceschini (1969) haben bereits bei
Musca Bewegungen der distalen Rhabdomerenenden
nachgewiesen. Burtt u. Patterson (1970) haben in einer
kürzlich erschienenen Mitteilung gezeigt, daß die Fliege
Calliphora einen spontanaktiven Augenmuskel besitzt,
daß die Spikefrequenz dieses Muskels bei steigender
Lichtintensität abnimmt und daß Änderungen der
Lichtintensität Positionsänderungen der distalen
Rhabdomerenenden bewirken. Ähnliche Beobachtungen
liegen für Musca vor (Tätigkeitsbericht der Max-Planck-
Gesellschaft, 1970). Die folgende Veröffentlichung
(Hengstenberg, in Vorbereitung) behandelt die
frequenzbestimmenden Eingangsgrößen des C-Spike-Systems,
die Bewegungsart des Augenmuskels und seine
Einwirkung auf die Position der distalen
Rhabdomerenenden mit dem Ziel, im Ausschließungsverfahren
die Zahl der möglichen Funktionen des
Augenmuskelsystems der Fliegen auf ein überschaubares
Maß einzugrenzen.
Zahlreiche wertvolle Diskussionen verdanke ich Herrn Dr.
K. G. Götz, Herrn Prof. Dr. W. Reichardt, Herrn Dr. V.
Braitenberg und Herrn Dr. K. Kirschfeld.
Außerdem danke
ich Herrn Dr. J. A. Campos-Ortega und Herrn C. B. Boschek
für die Anfertigung der elektronenmikroskopischen Präparate und
Aufnahmen, Frl. W. Barke und Frl. E. Hartwieg für die
Herstellung der lichtoptischen Präparate, Frl. B. Köhler für ihre
Hilfe bei der Auswertung der Experimente und Herrn E. Freiberg
für die Fertigstellung der Abbildungen.
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