Fledermäuse nutzen dieselben Gehirnzellen, um physische und soziale Welten zu kartieren | Quanta-Magazin

Ein Flughund, der in der Ecke einer Höhle hängt, regt sich; es ist bereit zum Umzug. Er sucht den Raum ab, um nach einem freien Sitzplatz zu suchen, und fliegt dann los, indem er seine häutigen Flügel so ausrichtet, dass er sich einer Stelle neben einem seiner flauschigen Artgenossen nähert. Dabei werden neurologische Daten aus seinem Gehirn an Sensoren gesendet, die in den Höhlenwänden installiert sind.

Dies ist keine milde Höhle am Mittelmeer. Die Gruppe ägyptischer Flughunde befindet sich in Berkeley, Kalifornien, und navigiert durch eine künstliche Höhle in einem Labor, das Forscher eingerichtet haben, um das Innenleben der Tiere zu untersuchen.

Die Forscher hatten eine Idee: Wenn eine Fledermaus durch ihre physische Umgebung navigiert, navigiert sie auch durch ein Netzwerk sozialer Beziehungen. Sie wollten wissen, ob die Fledermäuse dieselben oder unterschiedliche Teile ihres Gehirns nutzen, um diese sich überschneidenden Realitäten abzubilden.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Natur Im August stellten die Wissenschaftler fest, dass sich diese Karten überschneiden. Die Gehirnzellen, die eine Fledermaus über ihren eigenen Standort informieren, verschlüsseln auch Details über andere Fledermäuse in der Nähe – nicht nur ihren Standort, sondern auch ihre Identität. Die Ergebnisse lassen die faszinierende Möglichkeit aufkommen, dass die Evolution diese Neuronen für mehrere Zwecke programmieren kann, um den Bedürfnissen verschiedener Arten gerecht zu werden.

Die betreffenden Neuronen befinden sich im Hippocampus, einer Struktur tief im Gehirn von Säugetieren, die an der Bildung von Langzeitgedächtnissen beteiligt ist. Es wird angenommen, dass eine spezielle Population von Hippocampus-Neuronen, sogenannte Ortszellen, ein internes Navigationssystem bildet. Ortszellen wurden erstmals 1971 vom Neurowissenschaftler John O'Keefe im Hippocampus von Ratten identifiziert und feuern, wenn sich ein Tier an einem bestimmten Ort befindet. Unterschiedliche Ortszellen kodieren unterschiedliche Orte. Mithilfe dieses Systems können Tiere erkennen, wo sie sich befinden, wohin sie gehen müssen und wie sie von hier nach dort gelangen. Im Jahr 2014, O'Keefe wurde mit dem Nobelpreis ausgezeichnet für seine Entdeckung der Ortszellen, und in den letzten Jahrzehnten wurden sie bei mehreren Primatenarten, darunter auch beim Menschen, identifiziert.

Allerdings ist die Bewegung von Ort zu Ort nicht die einzige Möglichkeit für ein Tier, eine Veränderung seiner Umgebung zu erfahren. In Ihrem Zuhause bleiben die Wände und Möbel von Tag zu Tag größtenteils gleich, sagte er Michael Jarzew, der an der University of California, Berkeley, die neuronalen Grundlagen des natürlichen Verhaltens untersucht und die neue Arbeit mit leitete. Der soziale Kontext Ihres Wohnraums kann sich jedoch regelmäßig ändern.

„Wenn Leute hereinkommen, bewegen sie sich, sie interagieren“, sagte Yartsev. Der Aufenthaltsort dieser Menschen und die Art Ihrer Beziehung zu jedem Einzelnen beeinflussen, wie Sie sich durch den Raum bewegen. „Die räumliche Umgebung ist sehr dynamisch, aber nicht, weil sich die Wände bewegen“, sagte er.

Yartsev ging davon aus, dass Informationen darüber in Ortszellen kodiert sein könnten, da das soziale Umfeld ein sich ständig veränderndes Merkmal der physischen Umwelt sei. Es wurde jedoch noch nie ein direkter Test in einem sehr sozialen Umfeld durchgeführt, beispielsweise in einer Flughundkolonie.

„Dieser besondere Aspekt [der Umwelt], der unserem Leben so innewohnt, wurde noch nie zuvor untersucht“, sagte Yartsev.

Yartsev und sein Postdoktorand wollten Einblicke in die Art und Weise gewinnen, wie sich das Gehirn im sozialen Umfeld zurechtfindet Angelo Forli untersuchten ägyptische Flughunde, die sie zuvor in Studien zur Navigationsverkabelung des Gehirns verwendet hatten.

In Yartsevs Labor bauten sie eine künstliche Höhle: einen Flugraum in Wohnzimmergröße, der die Gehirnaktivität der Fledermäuse messen und gleichzeitig ihr Verhalten verfolgen sollte. Fünf bis sieben Fledermäuse konnten gleichzeitig frei durch den Raum fliegen, der mit schalldämpfendem Schaumstoff ausgekleidet und mit Sitzstangen und Obst zum Fressen ausgestattet war. Um die präzisen 3D-Bewegungen der Fledermäuse zu verfolgen, rüsteten die Forscher Halsbänder mit Beschleunigungsmessern und mobilen Tags aus – modifiziert von Systemen zur Paketverfolgung in Lagerhäusern – die mit Sensoren kommunizierten, die in den Wänden des Raums installiert waren. Das Team implantierte außerdem winzige Elektroden in die Gehirne der Fledermäuse, um drahtlos das Feuern von Hippocampus-Neuronen aufzuzeichnen, während die Tiere durch ihr Gehege flogen und miteinander interagierten.

Diesen aufwändigen Aufwand haben die Forscher in ihren Versuchsaufbau gesteckt, um die spontanen sozialen Interaktionen der Fledermäuse zu untersuchen, die vermutlich denen in freier Wildbahn ähneln. Das bedeutete, die Fledermäuse weitgehend sich selbst zu überlassen, ohne dass der Mensch eingreifen musste.

„Die Idee bestand einfach darin, die Menschen aus dem Raum zu holen“, sagte Yartsev, und die Fledermäuse tun zu lassen, was Fledermäuse normalerweise tun.

Wie erwartet änderten die Ortszellen für eine bestimmte Fledermaus ihre Aktivität basierend auf der Position der Fledermaus in der Höhle. Bestimmte Ortszellen feuerten häufiger, wenn sich die Fledermaus an einer bestimmten Stelle befand, während andere ihre Schüsse verstärkten, wenn sich die Fledermaus an einer anderen Stelle befand.

Auch die Anwesenheit oder Abwesenheit anderer Fledermäuse beeinflusste das Feuern der Neuronen. Als eine Fledermaus zur Landung ansetzte, verhielten sich die Ortszellen unterschiedlich, je nachdem, ob sich am Landeplatz ein Schlafgenosse befand. Darüber hinaus schienen die Neuronen die Identität bestimmter Fledermäuse zu kodieren und so Freunde von Bekannten zu unterscheiden. Wenn eine Fledermaus neben einem engen sozialen Kontakt landete, verhielten sich die Neuronen anders, als wenn sie in der Nähe einer Fledermaus landete, mit der sie nicht viel Zeit verbrachte.

Kurz gesagt, das Navigationssystem der Fledermäuse schien eine doppelte Funktion als soziale Karte zu erfüllen. Die Säugetiere bewegten sich nicht nur in ihrem Zuhause, sondern nutzten genau dieselben Gehirnzellen auch, um zu verfolgen, wer sich auf dem Gelände aufhielt.

„[Die Forscher] sind in Bezug auf die Erforschung der Neurowissenschaften eines natürlichen Verhaltens völlig überragend“, sagte der Verhaltensneurowissenschaftler Andy Alexander von der University of California, Santa Barbara, der nicht an der Studie beteiligt war.

Die Entdeckung ließ sofort die Frage aufkommen, ob diese Wiederverwendung von Hippocampus-Ortszellen auch bei ägyptischen Flughunden für die Entwicklung des sozialen Gehirns gilt. Der Hippocampus ist eine uralte Gehirnstruktur: Er ist bei Säugetieren mit unterschiedlichen Lebensstilen und unterschiedlichem Grad an Sozialität hochkonserviert, vom größtenteils einzelgängerischen Schnabeltier bis zum sehr gemeinschaftlich lebenden Menschen. Es ist möglich, dass das Navigationssystem des Hippocampus die soziale Umgebung aller Arten auf ähnliche Weise protokolliert. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Ortsschaltung diesen doppelten Zweck nur bei der Ägyptischen Flughunde entwickelt hat. Nur zusätzliche Forschung kann die Lücken schließen.

Die Erkenntnisse gehen über die soziale Landkarte hinaus. Sie passen auch zum Konzept der gemischten Selektivität, sagte Alexander: der Idee, dass es für einzelne Neuronen recheneffizienter ist, mehrere Merkmale der Umgebung zu kodieren.

In diesem Sinne, so Forli, sei der Hippocampus möglicherweise wie eine leistungsstarke Grafikkarte in einem Computer, die viele Verwendungszwecke haben kann, vom Rendern von Grafiken für Videospiele bis hin zur Durchführung maschineller Lernberechnungen. Der Hippocampus kann bei bestimmten Arten von Berechnungen hervorragend sein und die Fähigkeit besitzen, durch die Evolution verändert oder programmiert zu werden.

„Wir haben uns klassischerweise vorgestellt, dass der Hippocampus über diese [Orts-]Zellen verfügt, die bestimmte Orte im Raum kodieren“, sagte Alexander. „Aber ich denke, wir entdecken immer mehr, dass er tatsächlich sehr anpassungsfähig und flexibel ist und dass der Hippocampus für alle möglichen Dinge kodiert, je nachdem, was man ihm präsentiert.“

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