Beteiligtes Bernstein Mitglied: Carlos Gomez-Guzman

Auf den Punkt gebracht:

• Gleiche Rufe, flexible Antworten: Kontaktrufe von Zebrafinken sind angeboren und unveränderlich, ihr Einsatz aber ist flexibel. Die Antwortgeschwindigkeit wird vom sozialen Kontext beeinflusst: Auf vertraute Artgenossen antworten die Tiere häufiger und mit präziserem Timing.
• Neuronale Grundlage: Über 70% der Nervenzellen in einer bestimmten Gehirnregion reagieren auf Rufe von Artgenossen. Sind diese vertraut, feuern regulierende Interneurone besonders stark.
• Relevanz: Selbst angeborene Verhaltensmuster werden durch soziale Interaktion beeinflusst. Dies wirft die Frage auf, wie das Gehirn vokale Kommunikation im sozialen Kontext steuert und wie relevant dies für verschiedene Arten ist.

Unterhaltungen zwischen guten Freunden sind oft ungezwungen. Man ist auf einer Wellenlänge und Antworten kommen meist ganz von selbst. Eine ähnliche Harmonie findet man bei miteinander vertrauten Zebrafinken. Der Austausch von Kontaktrufen folgt dann einem deutlich anderen Rhythmus, als wenn die geselligen Singvögel mit einem fremden Artgenossen kommunizieren. Forschende des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz konnten nun zeigen, dass sozialer Kontext die Aktivität der an vokaler Kommunikation beteiligten Nervenzellen beeinflusst und wie die resultierenden Kommunikationsmuster im Gehirn gesteuert werden.

Angeborene Flexibilität

Zebrafinken zählen zu den am besten untersuchten Singvogelarten. Vor allem für den Bereich der Neurowissenschaften sind die männlichen Tiere interessant, da sie das Singen ganz ähnlich lernen, wie Menschen das Sprechen – durch Zuhören und durch das Nachahmen von Artgenossen. Zebrafinken nutzen neben ihrem Gesang aber auch kurze Kontaktrufe, welche Männchen und Weibchen gleichermaßen von Geburt an beherrschen. Frühere Studien konnten bereits zeigen, dass die Tiere mit vertrauten Artgenossen häufiger und regelmäßiger per Ruf kommunizieren, als mit fremden Tieren. Wie das Gehirn aber zwischen vertrauten und fremden Rufen unterscheidet und wie Antworten entsprechend beeinflusst werden, blieb bislang unklar.

Ein Team unter der Leitung von Daniela Vallentin und Jonathan Benichov spielte Zebrafinken die Rufe von bekannten und unbekannten Artgenossen vor. Die Ergebnisse waren eindeutig: Die Vögel antworteten häufiger, schneller und zuverlässiger auf bereits bekannte Rufe. Zusätzlich wurde untersucht, was während dieser Interaktionen im Gehirn vor sich ging: „Wir konnten zeigen, dass das Gehirn von Zebrafinken auf einen vertrauten Ruf anders reagiert, als auf den Ruf eines unbekannten Artgenossen“, sagt Carlos Gomez-Guzman, Doktorand und Erstautor der Studie. „Eine der Überraschungen war das schiere Ausmaß der neuronalen Aktivität: In HVC – eine Region, die eigentlich maßgeblich für die Steuerung des Gesangs verantwortlich ist – reagierten mehr als 70 % aller Nervenzellen grundsätzlich auf Rufe von Artgenossen.“ Dies zeigt deutlich, dass dieser Gehirnbereich auch angeborene, soziale Rufe aktiv verarbeitet. Interneurone, ein Nerventyp, der durch Hemmung anderer Nervenzellen steuern kann, ob und wann ein Vogel antwortet, sind deutlich stärker und länger aktiv, wenn der Rufende bekannt ist.

Wie das Gehirn die Kommunikation „stimmt“

Zebrafinken sind für die Wissenschaft quasi ein Fenster in die neuronale Welt der vokalen Kommunikation. Ganz ähnlich wie in menschlichen Dialogen antworten Zebrafinken auf Rufe von Artgenossen, und das in der Regel in weniger als einer halben Sekunde. Anders als erlernte Worte, aus denen eine menschliche Antwort besteht, sind Kontaktrufe bei Vögeln allerdings angeboren und unveränderlich, klingen also bei allen Artgenossen mehr oder weniger gleich. Was aber variieren kann, ist der Einsatz dieser Rufe, also wann und wie schnell ein Zebrafink zurückruft.

Um zu verstehen, was im Gehirn geschieht, wenn solche Ruf-Interaktionen stattfinden, zeichnete das Team die Aktivität einzelner Nervenzellen im Gesangszentrum HVC auf, während die Vögel bekannte und unbekannte Rufe hörten. In diesem Gehirnareal finden sich Projektionsneuronen, die Signale an andere an der Gesangs- und Stimmproduktion beteiligten Gehirnregionen weiterleiten. Diese sind mit Interneuronen vernetzt, welche durch ihre hemmende Wirkung auf die Projektionsneuronen beeinflussen können, ob diese ihre Signale Richtung Muskulatur weiterleiten können und somit, wann und ob der Vogel einen Ruf auslöst. Beide Typen von Nervenzellen reagierten auf bekannte sowie unbekannte Rufe. Die hemmenden Interneuronen zeigten allerdings eine klare Präferenz für bekannte Rufe und reagierten deutlich intensiver und länger auf diese. Außerdem konnte ein Zusammenhang zwischen der neuronalen Reaktion und Timing der Antwort auf den gehörten Ruf gezeigt werden, was auf einen regulierenden Effekt der Interneuronen auf die Projektionsneuronen hindeutet.

„Die Intensität der neuronalen Reaktion gemessener Interneuronen deckte sich weitgehend mit der Schnelligkeit und Zuverlässigkeit der folgenden Antwort”, sagt Gomez-Guzman. „Mit Hilfe von KI und Machine Learning konnten wir allein anhand der Aktivität gemessener Interneuronen bekannte von unbekannten Kommunikationspartnern unterscheiden. Das bedeutet, dass nicht nur erlernte Gesänge, sondern auch angeborene Verhaltensweisen zu einem gewissen Grad flexibel sind, um sich an soziale Situationen und Kommunikationspartner anpassen zu können.“ Diese Ergebnisse werfen faszinierende Fragen auf: Muss dieses präzise soziale Timing von den Tieren gelernt werden? Wie sind die entsprechenden Gehirnbereiche mit anderen, evolutionär älteren Hirnregionen verknüpft und wie interagieren diese Regionen miteinander? Die Beantwortung dieser Fragen könnte dabei helfen zu verstehen, wieso manche Arten so viel besser mit Hilfe von Vokalisationen kommunizieren können als andere, Einblicke in die kognitiven Anforderungen vokaler Interaktionen geben und letztendlich vielleicht sogar, wieso uns Unterhaltungen mit vertrauten Menschen oft so selbstverständlich und mühelos erscheinen.