Forschungsbericht 2020 - Max-Planck-Institut für Ornithologie

Wie Neurone die Kommunikation von Zebrafinken steuern

Autoren
Vallentin, Daniela
Abteilungen
Forschungsgruppe "Neuronale Grundlagen vokaler Kommunikation"
Zusammenfassung
Während einer guten Unterhaltung fallen wir uns typischerweise selten ins Wort. Obwohl wir oft schon wissen, was wir sagen wollen, sprechen wir erst, wenn unser Gegenüber zu Ende gesprochen hat. Wie steuert das Gehirn dieses Verhalten? Um die Mechanismen besser zu verstehen, haben wir das Rufverhalten von Zebrafinken und die ablaufenden neuronalen Prozesse untersucht. Zebrafinken koordinieren ihre Rufe abhängig von der sozialen Situation, so wie wir unsere Lautäußerungen. Dieser Interaktion beruht auf einem zeitlich koordinierten Zusammenspiel zwischen hemmenden und anregenden Nervenzellen.
 

Abb.1: Zebrafinken unterhalten sich in einer Gruppe mit zeitlich koordinierten Rufen. 

Eine Unterhaltung wird oft als angenehm empfunden, wenn sich Zuhören und Sprechen die Waage halten. So kann sich eine mühelose Konversation entwickeln, bei der man sich auf den Inhalt des Gesprächs konzentrieren kann. Die Prozesse, die im Gehin ablaufen müssen, um eine reibungslose Kommunikation zu ermöglichen, sind jedoch komplex: Sie erfordern sowohl die Aufnahme und Verarbeitung der akustischen Signale des Gegenübers als auch die gleichzeitige Erzeugung von eigenen Gedanken und Ideen, und schließlich die Aussprache einer angemessenen Antwort. Auf solchen auditorisch-motorischen Leistungen basiert nicht nur menschliche Unterhaltung, sondern generell das im Tierreich weitverbreitete Phänomen des „Vocal Turntakings” [1]. Im Prinzip beruht diese Interaktion auf der Fähigkeit, bewusst motorische Signale als Reaktion auf Gehörtes zu planen. Dies erlaubt sowohl das Zuhören ohne Unterbrechung, als auch eine zeitlich angemessene Reaktion auf ein akustisches Signal, welche der Erwartungshaltung des Gegenübers entspricht. Die neurologischen Grundlagen, die einer solchen zeitlich geplanten, akustischen Kommunikation zu Grunde liegen, sind bislang weitgehend unerforscht.

Koordiniertes Zwitschern bei Zebrafinken

Abb. 2: Experimentelle vokale Interaktion zwischen einem Zebrafinken und einer automatisch erzeugten Lautsprecherantwort.
 

Den arttypischen Gesang von Zebrafinken lernen nur die Männchen. Beide Geschlechter nutzen jedoch einfache, angeborene Rufe, um sich innerhalb der Gruppe zu verständigen. Von diesen Lautäußerungen ist bekannt, dass sie zur Stabilisierung des sozialen Netzwerkes beitragen [2]. Um herauszufinden, ob und wie Zebrafinken ihr für unser Ohr scheinbar unkoordiniertes Zwitschern miteinander abstimmen, haben wir ihr Rufverhalten näher untersucht und einen Versuch entwickelt, mit dem wir den genauen zeitlichen Ablauf einer Rufinteraktion messen konnten [3]. Ein Zebrafink sollte dabei auf einen mit einem Lautsprecher abgespielten Ruf antworten. Das taten die Singvögel auch spontan, ohne vorheriges Training. Die Antworten kamen dabei nicht willkürlich, sondern durchaus zeitlich präzise, kurz nach dem abgespielten Ruf. Um zu überprüfen, ob es sich um eine automatische Reaktion der Tiere handelt, die unveränderbar festgelegt ist, spielten wir zwei Tieren gleichzeitig den Lautsprecher-Ruf vor. Die Vögel stellten daraufhin Ihr Rufverhalten so um, dass sie nicht miteinander überlappten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Zebrafinken ihre Rufe abhängig vom sozialen Kontext flexibel, aber gezielt koordinieren können [4].

Gehirnaktivität zur dynamischen Steuerung von Rufen

Das Gehirn setzt sich aus verschiedenen Kern-Arealen zusammen, sogenannte Nuclei, die jeweils ein bestimmtes Verhalten steuern. Aus früheren Studien ist bekannt, dass der so genannte Nukleus HVC die Umwandlung von Gehörtem in eine motorische Reaktion steuert, also vermutlich zuständig dafür ist, als Reaktion auf einen gehörten Ruf einen eigenen produzierten Ruf umzusetzen. Um diese Annahme zu überprüfen, haben wir die Neuronen in HVC für eine kurze Zeit pharmakologisch gehemmt und beobachtet, dass die Zebrafinken dann zwar noch rufen, aber die zeitliche Koordination der eigenen mit den gehörten Rufen nicht mehr gegeben war. Was sind also die genauen dynamischen Prozesse, die in HVC für diese zeitliche Koordination ablaufen müssen? Dies untersuchten wir mit intrazellulären Messungen einzelner Nervenzellen in HVC, während sich die Vögel frei bewegten und mit eigenen Rufen auf die Lautsprecher-Rufe regierten. In HVC sind zwei Arten von Zelltypen miteinander verschaltet: Hemmende und anregende Nervenzellen. Kurz vor jedem Ruf waren die anregenden Nervenzellen aktiv. Diese Zellen sind also vermutlich für die Produktion der Rufe verantwortlich.

Bei den Messungen fiel uns auf, dass die hemmenden Nervenzellen kurz vor den anregenden Nervenzellen aktiv waren, so als ob sie deren Aktivität zeitlich zurückhielten. Um zu testen, ob diese Hemmung tatsächlich für den geordneten Ablauf der Rufe zuständig ist, hoben wir die Hemmung pharmakologisch auf. Daraufhin hielten die Zebrafinken ihre Rufe nicht zurück: Sie  antworteten schneller auf die Lautsprecher-Rufe, so dass ständige Lautunterbrechungen entstanden und keine normale, auf die jeweilige soziale Situation angepasste Interaktion mehr stattfand. Zusammenfassend können wir also zeigen, dass das Netzwerk von hemmenden Nervenzellen im Nukleus HVC dafür verantwortlich ist, wann ein Ruf abgegeben wird und wann es besser ist, einfach mal den Schnabel zu halten.

Literaturhinweise

1.
Levinson, S.C.
Turn-taking in Human Communication – Origins and Implications for Language Processing
Trends in Cognitive Sciences 20 (1), 6 (2016)
2.
Gill, L.F.; Goymann, W.; Ter Maat, A.; Gahr, M.
Patterns of call communication between group-housed zebra finches change during the breeding cycle.
Elife  Oct 6; 4:e07770 (2015)
3.
Benichov, J.I.; Benezra, S.E.; Vallentin, D.; Globersen, E.; Long, M.A.; Tchernichovski, O.
The Forebrain Song System Mediates Predictive Call Timing in Female and Male Zebra Finches.
Current Biology  26(3), 309-318 (2016)
4.
Benichov, J.I.; Vallentin, D.
Inhibition within a premotor circuit controls the timing of vocal turn-taking in zebra finches.
Nature Communications 11(1), 221 (2020)
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