Bioakustik und Hirnforschung

Methode zur Bildgebung bei kleinen Gehirnen

Ein Forscherteam hat mit einer speziellen Magnetresonanztomographie die Geräuschverarbeitung im Froschgehirn untersucht. Diese Methode kann auch für Untersuchungen anderer Kleintiergehirne genutzt werden.

Gehirnaktivitäten des Leopardfrosches, die durch unterschiedliche akustische Signale ausgelöst werden, standen im Mittelpunkt der Studie. © Eva Ringler/Vetmeduni Vienna

Eine aktuelle internationale Studie der Vetmeduni Vienna zeigt, dass die Bildgebungsmethode MEMRI (Mangan-verstärkte Magnetresonanztomographie) einen leistungsstarken Ansatz zur Untersuchung der Gehirnaktivität bei Fröschen bietet. Daraus ergeben sich vollkommen neue Möglichkeiten, um grundlegende Mechanismen des Gehirns von Wirbeltieren besser zu verstehen.

Akustische Signale spielen eine entscheidende Rolle in der Geschichte des Tierlebens. Viele Tiere verwenden Ton- oder Vibrationsmerkmale, z. B. um Artgenossen wie Paarungspartner oder Verwandte, aber auch Raubtiere zu identifizieren oder sich über den emotionalen Zustand von Gruppenmitgliedern zu informieren. In ihrem Alltag sind Tiere jedoch stetig einer mehr oder weniger großen Menge an Umweltgeräuschen ausgesetzt. Für eine effiziente Kommunikation ist es deshalb wichtig, vor allem auf biologisch relevante Reize zu achten.

Frösche sind wichtige Modellorganismen der Bioakustik
Frösche haben sich vielfach als Modellorganismen in der Bioakustik und Neurobiologie bewährt. Bis heute sind jedoch die meisten verfügbaren Methoden zur Untersuchung der akustischen Verarbeitung bei Fröschen in hohem Maße invasiv und erlauben daher keine langfristigen Untersuchungen, bei denen einzelne Individuen wiederholt unterschiedlichen Reizen ausgesetzt werden. Außerdem bieten die bisher eingesetzten Untersuchungsverfahren keine ganzheitliche Sicht auf das Gehirn, was die Beantwortung zahlreicher Forschungsfragen in erheblichem Maße einschränkt.

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Neuer Forschungsansatz für besseren Einblick in Frosch-Gehirne
Eine internationale Forschungsgruppe um Eva Ringler von der Abteilung für Vergleichende Kognitionsforschung der Vetmeduni Vienna in Zusammenarbeit mit dem Messerli Forschungsinstitut – einer gemeinsamen Einrichtung von Vetmeduni Vienna, MedUni Wien und Universität Wien – und der University of California Los Angeles ging deshalb erstmals einen neuen, nicht-invasiven Weg. Und zwar unter Verwendung der Mangan-verstärkten Magnetresonanztomographie (MEMRI), bei der Mangan als Kontrastmittel für neuronale Aktivität eingesetzt wird. Ziel der aktuell im Fach-Journal Behavioral Neuroscience veröffentlichten Studie war es, Bereiche im Gehirn des Frosches zu identifizieren, die für die Geräuschverarbeitung verantwortlich sind. Ringler erklärt: „Wir wollten herausfinden, ob die neuronale Verarbeitung von sozial relevanten akustischen Signalen ein spezifisches Muster der Gehirnaktivierung auslöst, das sich von Mustern unterscheidet, die durch weniger oder nicht relevante akustische Signale hervorgerufen werden.“

Experiment mit drei unterschiedlichen Reizen
Die ForscherInnen entwarfen ein Experiment, in dem mit artspezifischen Signalen, Rauschen und Stille drei verschiedene Arten von akustischen Reizen eingesetzt wurden, um die Wirkung dieser Signale auf das Gehirn des Leopardfroschs (Rana pipiens) zu untersuchen. Mittels MEMRI-Bildgebung wurde dabei die Manganaufnahme der unterschiedlichen Gehirnareale überwacht, wobei eine höhere Manganaufnahme auf stärkere neuronale Aktivität in den betroffenen Gehirnarealen zurückzuführen ist, und man schließlich in diesen Arealen eine erhöhte Signalintensität im gewonnenen MRT-Bild beobachten kann.

Differenzierte Wahrnehmung akustischer Signale
„Die größten Unterschiede in der Wahrnehmung der Signalintensität fanden wir innerhalb des Torus semicircularis (des primären Gehörzentrums beim Frosch) und der Habenula (einem Teil des Zwischenhirns). Im Gegensatz zu artspezifischen akustischen Signalen führte die Stimulation mit Rauschen nicht zu den gleichen Aktivierungsmustern. Das weist darauf hin, dass Signale mit unterschiedlicher sozialer Relevanz in diesen Bereichen des Amphibiengehirns unterschiedlich verarbeitet werden“, so Ringler.

Überraschenderweise fanden die ForscherInnen keine signifikante Verstärkung der Signalintensität in der Amygdala, obwohl diese Gehirnregion allgemein als wichtig für die Verarbeitung von gedächtnisbasierten Entscheidungen und emotionalen Reaktionen bei Wirbeltieren bekannt ist. Interessant ist auch, dass signifikante Unterschiede der Signalintensität nur bei „artspezifischen Signalen“ im Vergleich zu „Stille“ festgestellt wurden. Die Stimulation mit Rauschen führte hingegen zu keiner statistisch signifikanten Signalverstärkung in der Gesamtgehirn-Analyse.

Wichtige neue Methode zur Bildgebung bei kleinen Gehirnen
Die vorliegende Studie zeigt, dass MEMRI ein sehr leistungsfähiger Ansatz ist, um Aktivitätsmuster im Gehirn von kleinen Tieren wie Fröschen mit hoher Auflösung zu erforschen. Denn MEMRI ermöglicht die Untersuchung des gleichen Subjekts im Zeitverlauf und jene des gesamten Gehirns gleichzeitig. Neue Einblicke in die Gehirne insbesondere von kleineren Tieren sind wissenschaftlich vor allem deshalb interessant, da manche Hirnregionen nicht bei allen Wirbeltieren vorhanden sind. So ist beispielsweise die Großhirnrinde der Säugetiere einzigartig. Außerdem ist meist nur wenig über funktionelle Ähnlichkeiten von Gehirnregionen verschiedener Tiergruppen bekannt. Der verstärkte Einsatz von MEMRI könnte in Zukunft dabei helfen, neue grundlegende Erkenntnisse zur Funktionsweise des Gehirns von Wirbeltieren zu liefern. Dazu Ringler: „Angesichts des erheblichen Unterschieds zwischen Gehirnen verschiedener Wirbeltier-Arten könnten vergleichende Ansätze die Architektur und funktionale Konnektivität neuronaler Strukturen von Wirbeltieren untersuchen und so ein umfassenderes Verständnis wichtiger, aber bislang wenig verstandener neuronaler Mechanismen der Wahrnehmung und Aufmerksamkeit vermitteln.“

Publikation:
Eva Ringler, Melissa Coates, Ariadna Cobo-Cuan, Neil G. Harris, Peter M. Narins: MEMRI for visualizing brain activity after auditory stimulation in frogs; in: Behavioral Neuroscience; https://psycnet.apa.org/record/2019-23391-001?doi=1

Zusatzinformation:
Schwerpunkte der Veterinärmedizinischen Universität Wien (Vetmeduni Vienna) sind die Forschungsbereiche Tiergesundheit, Lebensmittelsicherheit, Tierhaltung und Tierschutz sowie biomedizinische Grundlagen. Die Vetmeduni Vienna beschäftigt 1 300 MitarbeiterInnen und bildet zurzeit 2 300 Studierende aus. http://www.vetmeduni.ac.at

Quelle: Veterinärmedizinische Universität Wien

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