Hirnstruktur von Singvögeln: Entstehung eines Liedes
Die Art und Weise, wie Singvögel singen lernen, ist komplex und in vielerlei Hinsicht mit dem menschlichen Spracherwerb vergleichbar. Wie dies genau geschieht, blieb jedoch lange unklar. Das EU-finanzierte Projekt DESYNE untersuchte nun das Gehirn von Singvögeln, um Veränderungen in der Feinstruktur beim Erlernen von Vogelgesang zu enthüllen. Insbesondere widmete man sich einer bei Singvögeln spezifischen vormotorischen Hirnstruktur, dem so genannten Higher Vocal Center, HVC. Das HVC ist vor allem für das Erlernen, aber auch für das Erkennen und die Erzeugung von Tonabfolgen wichtig. Um die neuronalen Prozesse zu ergründen, die für das Einprägen einer Tonabfolge und die Entstehung von Gesang bei adulten Vögeln wichtig sind, erstellte DESYNE eine synaptische Karte des HVC. Sie sollte die synaptischen Verbindungen aufzeigen, die Voraussetzung für das Erlernen von Gesang sind. Unterstützt wurde die Forschungsarbeit durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen. „Da die Erforschung neuronaler Verschaltungen bei Singvögeln eine enorme technische Herausforderung ist, lag der Schwerpunkt eher auf der Entwicklung von Methoden, die Untersuchungen dieser Art überhaupt möglich machen. Das Projekt entwickelte daher innovative Technologien für detaillierte Struktur- und Funktionsanalysen bei spezifischen Vernetzungskomponenten für stimmliches Lernen“, erklärt Daniel Düring, Professor am Institut für Neuroinformatik der Universität Zürich. Die Ergebnisse der Studie zu Singvögeln könnten auch wichtige Aufschlüsse darüber liefern, wie Menschen lernen. „Da der menschliche Spracherwerb und das Lernen von Liedern bei Singvögeln in mancher Hinsicht vergleichbar sind, könnten Erkenntnisse zur Struktur neuronaler Verschaltungen auch für den Menschen verallgemeinert werden, etwa, um die Ursachen sprachassoziierter Neuropathologien zu klären und therapeutisch intervenieren zu können”, so Projektkoordinator Prof. Richard Hahnloser, der ebenfalls am Institut für Neuroinformatik forscht.
Einfaches Lied – komplexe Veränderungen im Gehirn
Untersuchungsobjekt des Projekts war der Zebrafink. „Der Gesang des Zebrafinken ist relativ eintönig mit stereotypen Sequenzen, sodass die Analyse einfacher ist als bei den meisten Singvögeln. Ähnlich wie Kleinkinder lernen junge Singvögel bei ihren erwachsenen Vorbildern durch Imitation“, ergänzt Hahnloser. Um strukturelle Veränderungen im Vogelhirn zu klären, die Voraussetzung für stimmliches Lernen sind, untersuchte die Forschungsgruppe die Gehirnstruktur in Arealen, die am Lernen und der Erzeugung von Tonabfolgen beteiligt sind. Hierzu wurden Vögel, die bei erwachsenen Tieren lernten, mit Vögeln verglichen, die nie zuvor eine Stimmvorlage gehört hatten.
Analyse des Gesanglernens mit neuen Methoden
Voraussetzung dafür, Struktur und Funktionen bestimmter Komponenten in neuronalen Netzwerken untersuchen zu können, ist die Selektion und Identifizierung spezifischer Zelltypen. Hierzu kommen meist virale Vektoren zum Einsatz, über die sich mit Fluoreszenzproteinen spezifische Zellen identifizieren lassen. Für Singvögel waren bisherige virale Vektoren allerdings ungeeignet, sodass die Forschungsgruppe eigene Vektoren entwickeln musste. „Dank des Projekts und internationalen Forschungsverbunds aus Labors der ETH Zürich, der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland und der Universität Tokio konnten wir auch für Singvögel einen solchen viralen Vektor generieren. Damit können nun viele Labors neuronale Verschaltungen bei Singvögeln detaillierter und genauer denn je analysieren“, bemerkt Düring.
Ein Schub für die künftige Forschung
Das Team will mit dieser Entwicklung seine Forschung auf neuen Wegen vorantreiben. „Mit unserem viralen Vektor können wir nun die strukturelle Entwicklung einer bestimmten Klasse von Projektionsneuronen untersuchen, die das vokale prämotorische HVC mit einem Areal im Vorderhirn verbinden, der so genannten Area-X“, sagt Düring. Die Gruppe entwickelte außerdem ihre Technologien weiter und will Marker für synaptische Signale bei der Abbildung großer Mengen von Gehirngewebe einbeziehen.
Schlüsselbegriffe
DESYNE, Vogel, Vogelhirn, Lied, Singvogel, HVC, Gesangslernen, Zebrafink, neuronale Verschaltung
