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Wie das Gehirn die Stimme kontrolliert - Rhythmische Nervensignale bestimmen Laute von Fledermäusen

20.03.2020

Ein bestimmter neuronaler Schaltkreis im Gehirn kontrolliert bei Fledermäusen die Lautäußerungen der Tiere. Dies haben jetzt Biologen der Goethe-Universität Frankfurt herausgefunden. Die Frankfurter Forscher konnten anhand des Rhythmus, in dem der Schaltkreis schwang, vorhersagen, welche Art von Lauten die Fledermäuse unmittelbar danach ausstoßen würden. Die Forschungsergebnisse könnten dazu beitragen, Krankheiten des Menschen wie Parkinson oder Tourette-Syndrom besser zu verstehen, bei denen die Sprache gestört ist.

Fledermäuse sind berühmt für ihre Ultraschall-Navigation: Sie orientieren sich über ihr äußerst empfindliches Gehör, indem sie Ultraschall-Laute ausstoßen und anhand der Schall-Reflexionen ein Bild ihrer Umwelt erhalten. So findet beispielsweise die Brillenblattnasen-Fledermaus (Carollia perspicillata) die von ihr als Nahrung bevorzugten Früchte über dieses Echo-Ortungssystem.


Verschiedene Nervensignale im Stirnlappen der Brillenblattnasen-Fledermaus Carollia perspicillata (links) gehen Kommunikationslauten (oben) und Lauten zur Echo-Ortung (unten) voran.

Julio C. Hechavarria, Goethe Universität Frankfurt

Gleichzeitig nutzen die Fledermäuse ihre Stimme auch zur Kommunikation mit den Artgenossen, wobei sie einen etwas tieferen Frequenzbereich wählen. Die Brillenblattnase verfügt dabei über eine stimmliche Bandbreite, die sich sonst nur noch bei Singvögeln und Menschen findet. Wie der Mensch erzeugt sie ihre Laute durch den Kehlkopf.

Der Neurowissenschaftler Julio C. Hechavarria vom Institut für Zellbiologie und Neurowissenschaft der Goethe-Universität hat zusammen mit seinem Team Gehirnaktivitäten der Brillenblattnase untersucht, die den Lautäußerungen vorangehen.

Dabei konnten die Wissenschaftler eine Gruppe von Nervenzellen identifizieren, die eine Verschaltung vom Stirnlappen in das Innere des Gehirns zum „Streifenkörper“ (Corpus striatum) herstellen.

Wenn dieser Nerven-Schaltkreis rhythmisch Signale feuert, stößt die Fledermaus etwa eine halbe Sekunde später Laute aus. Dabei schien die Art des Rhythmus zu bestimmen, ob es sich um Echo-Ortung oder Kommunikationslaute handelte.

Da sich innerhalb einer halben Sekunde jedoch kaum eine Voraussage treffen lässt, schrieben die Frankfurter Forscher ein Computerprogramm, das ihre Hypothese testete: Der Computer analysierte die aufgezeichneten Laute getrennt vom neuronalen Rhythmus und stellte dann anhand der verschiedenen Rhythmen Prognosen.

Das Ergebnis: Zu rund 80 Prozent lag der Rechner mit seinen Vorhersagen Ortungsruf versus Kommunikationslaut richtig. Die Vorhersagen waren besonders genau, wenn Signale vom Stirnlappen berücksichtigt wurden. Beim Menschen wird diese Hirnregion unter anderem mit der Planung von Handlungen in Verbindung gebracht.

Dieser neuronale Rhythmus der Fledermaus gleicht einem Rhythmus, der häufig am menschlichen Kopf gemessen werden kann, stellten die Forscher fest. Sie folgern daraus, dass dieser Typ des neuronalen Rhythmus generell mit der Lautbildung von Säugetieren zusammenhängen könnte.

Julio Hechavarria: „Fledermäuse dienen seit mehr als 50 Jahren als Tiermodel zur Untersuchung, wie das menschliche Gehirn Hörreize verarbeitet und wie sich die menschliche Sprache entwickelt. Wir konnten jetzt erstmals zeigen, wie voneinander entfernte Hirnregionen bei der Fledermaus während der Lautbildung miteinander kommunizieren.

Gleichzeitig wissen wir, dass die entsprechenden Gehirnnetzwerke bei Menschen gestört sind, die beispielsweise als Folge einer Parkinson-Krankheit stottern oder bei einem Tourette-Syndrom unwillkürliche Laute ausstoßen. Daher hoffen wir, dass wir mit der weiteren Untersuchung der Fledermaus-Lautbildung zu einem besseren Verständnis dieser menschlichen Krankheitsbilder beitragen können.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Julio C. Hechavarria, Ph.D., Auditory Computations Group (Gruppenleiter), Institut für Zellbiologie und Neurowissenschaft, Goethe-Universität Frankfurt, Telefon +49 (0)69 798-42050, E-Mail: Hechavarria@bio.uni-frankfurt.de, https://www.julio-hechavarria.com/

Originalpublikation:

Fronto-striatal oscillations predict vocal output in bats.
Kristin Weineck, Francisco García-Rosales, Julio C. Hechavarria; PLOS Biology, DOI 10.1371/journal.pbio.3000658
https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3000658

Weitere Informationen:

Bild-Download als Tif-Datei (4 MB): http://www.uni-frankfurt.de/86729013

Markus Bernards | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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