Vogelgehirne synchronisieren sich beim Duettgesang

Gesangszentren im Gehirn von Webervögeln feuern beim gemeinsamen Singen im Takt

Bei den Mahaliwebern beginnt das Männchen oder das Weibchen mit seinem Gesang und der Partner setzt zu einem bestimmten Zeitpunkt ein. Schließlich singen beide alternierend und äußerst präzise aufeinander abgestimmt im Duett. Ein Forschungsteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen hat mit mobilen Sendern gleichzeitig neuronale und akustische Signale im Duett singender Vogelpaare in ihrem natürlichen Lebensraum aufgenommen. Es stellte sich heraus, dass sich mit dem Stimmeinsatz des Partners die Aktivität der Nervenzellen im Gehirn des bereits singenden Vogels ändert und zeitlich mit dem Partner synchronisiert. Die Gehirne beider Tiere funktionieren dann praktisch wie eins, was zu dem perfekten Duett führt.

Ein Mahaliweber-Paar sitzt in einem Baum unter ihrem Nest. Das Männchen (rechts) trägt einen Mikrofonsender auf dem Rücken und einen Sender zum Messen der Gehirnaktivität auf dem Kopf.

Mahaliweber (Plocepasser mahali) leben im südlichen und östlichen Afrika in kleinen Gruppen in einem Baum zusammen. Jedes Tier hat ein Schlafnest mit einem Ein- und Ausgang. Das Brutnest ist leicht daran zu erkennen, dass ein Gang geschlossen ist, damit die Eier nicht herausfallen. Neben dem dominanten Paar gibt es bis zu acht weitere Tiere in der Gruppe, die dabei helfen, Nester zu bauen und die Jungtiere großzuziehen.

Alle Gruppenmitglieder verteidigen ihr Revier gegen rivalisierende Gruppen durch Duettgesänge des dominanten Paares und durch Chorgesänge zusammen mit den Helfern. Mahaliweber sind eine der wenigen Vogelarten, die im Duett singen. Es erfordert einiges an kognitiver Koordination der Individuen, um die Gesangssilben rhythmisch und synchron zu produzieren. Von den zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen einer solchen Leistung war bislang jedoch noch nichts bekannt.

Miniatursender ermöglichen Aufnahmen unter natürlichen Bedingungen

„Mahaliweber können ihre komplexe Sozialstruktur nicht im Labor entwickeln, daher konnten wir die Mechanismen des Duettgesangs nur im natürlichen Lebensraum der Vögel untersuchen“, sagt Cornelia Voigt, eine der drei Erstautorinnen der Studie. Zusammen mit Technikern hat das Team am Max-Planck-Institut für Ornithologie in Seewiesen deshalb nur 0,6 Gramm schwere mobile Mikrofonsender entwickelt, die wie ein Rucksack auf dem Rücken eines Vogels befestigt werden und dessen Gesang aufnehmen.

Eine Antenne unter dem  Nistbaum fing die akustischen und neuronalen Signale der Mahaliweber ein.

Mit einem weiteren dort neu entwickelten, ein Gramm leichten Sender konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darüber hinaus gleichzeitig und parallel zum Gesang auch die Gehirnaktivität von Tieren der Gruppe in ihrem natürlichen Umfeld erfassen. Dafür befestigten sie eine Antenne in der Nähe des Baumes der Gruppe, die bis zu acht Signale gleichzeitig empfangen konnte. Mithilfe einer externen Soundkarte und eines Laptops wurden diese Signale auf die Millisekunde genau synchronisiert aufgenommen. „Die von uns entwickelte Technik musste den extremen Bedingungen der Kalahari-Savanne im nördlichen Südafrika standhalten“, sagt Susanne Hoffmann, Wissenschaftlerin der Abteilung Verhaltensneurobiologie. „Die Elektronik zur Aufnahme der Signale war in einem Auto verstaut, in dem es tagsüber so heiß wurde, dass der Laptop fast zu glühen begann. Aber die Aufnahmen haben alle gut funktioniert, selbst als die Vögel mit ihren Sendern bei einem der wenigen Regengüsse begeistert gebadet haben.“

Die Ausrüstung, die zu den Aufnahmen der individuellen Gesänge und neuronalen Signale benötigt wurde, steht im Heck eines Autos in ca. 30 Meter Entfernung zum Nistbaum der Mahaliweber. © Susanne Hoffmann

Gehirnaktivität der duettierenden Vögel synchronisiert sich

Lisa Trost, auch sie Wissenschaftlerin der Abteilung, sagt: „Der Eingriff zur Befestigung der Implantate für die neuronalen Messungen auf dem Kopf der Tiere dauerte zum Glück nicht lange. Nach vollständiger Erholung konnte das jeweilige Tier schnell wieder in die Gruppe zurückgebracht werden und verlor so nicht seinen Sozialstatus. Alle Tiere haben auch sofort nach ihrer Rückkehr wieder im Baum gesungen.“ So hat das Team fast 650 Duettgesänge aufgenommen. In vielen Fällen begannen die Männchen mit dem Gesang, der jeweils andere Partner fiel nach einigen Silben ein. Dann folgten sehr rasch aufeinander und perfekt abgestimmt die Duett-Silben des Paares. Die Analyse ergab, dass sich die Vögel nach den anfänglichen Gesangsilben mit einer Genauigkeit von einer Viertelsekunde beim Singen abwechselten.

Der Gesang von Singvögeln wird von einem Netzwerk von Gehirnkernen gesteuert, dem sogenannten vokalen Kontrollsystem. In einem dieser Kerne, dem HVC, löst bei dem Vogel, der mit dem Singen beginnt, der Einsatz des Partnervogels eine Änderung der neuronalen Aktivität aus, die sich wiederum auf seinen eigenen Gesang auswirkt. Die Folge ist eine präzise Synchronisation der Gehirnaktivität beider Vögel. „Der rhythmische Duettgesang der Individuen wird durch eine Sinnesinformation erreicht, die vom Duettpartner stammt“, sagt Manfred Gahr, der die Studie geleitet hat. Die beiden Gehirne der Partner bilden zusammen ein Netzwerk, das wie ein erweiterter Schaltkreis funktioniert, um das zeitliche Muster für das Duett zu organisieren. Die Forscher vermuten, dass ähnliche Mechanismen auch für die Bewegungskoordination während sozialer Interaktionen beim Menschen zuständig sind, wie z.B. beim Tanzen mit einem Partner.

„Diese Art von Studien wurde ja bisher nur im Labor durchgeführt. Dass es auch im Freiland möglich ist, mit Hilfe kabelloser Sender die Aktivität von Nervenzellen zu messen, ist für die Tiere viel weniger belastend“, sagt Susanne Hoffmann. „Wir hoffen, mit dieser Studie einen Grundstein für die weitere Entwicklung der Neuroethologie gelegt zu haben.“

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