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Schaltkreis im Gehirn von Zebrafischen Wie ein Neuronenbündel das Verhalten steuert

| Autor / Redakteur: Dr. Daniel Fleiter* / Christian Lüttmann

Das Gehirn gilt als Schaltzentrale des Körpers. Wie mächtig es ist, zeigt eine aktuelle Studie über Verhaltenswechsel von Zebrafischlarven. Sie stellen von „Jagd“ auf „Erkundung“ um, wenn ein zentraler Datenknoten im Gehirn feuert. Ähnliche, aber komplexere Strukturen könnten auch die Entscheidungsfindung beim Mensch beeinflussen.

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Künstlerische Illustration der Zebrafischlarven
Künstlerische Illustration der Zebrafischlarven
(Bild: Sarah Stednitz, Martin Vötsch / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik )

Tübingen – Entscheidungen fallen manchmal schwer. Doch wenn Zebrafischlarven zwischen den Modi „Jagen“ und „Erkunden“ wechseln, geschieht dies wie auf Knopfdruck. Einem internationalen Team von Neurowissenschaftlern ist es nun gelungen, einen Mechanismus im Gehirn dieser Modellorganismen auszumachen, der zwischen diesen zwei Motivationsstufen hin- und herschaltet.

Laut ihrer Studie passiert das Umschalten zwischen Jagd und Erkundung in einem zentralen Datenknoten serotoninproduzierender Neuronen, die kontinuierlich ein bestimmtes Signal senden und damit die Aktivität im Gehirn dynamisch koordinieren. „Die neuronale Aktivität an diesem zentralen Knotenpunkt im Gehirn ist bemerkenswert. Zeitlich betrachtet fallen die Signalintensität und der Moment der Verhaltensänderung zusammen. Der Verlauf ist asymmetrisch, erreicht schnell einen Höhepunkt und fällt dann langsam ab“, beschreiben die Hauptautoren Jennifer Li und Drew Robson vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik.

Wechsel zwischen Jagen und Erkunden

Wie äußert sich der Verhaltenswechsel bei Zebrafischlarven? In einem Zustand konzentriert sich der Fisch mit langsamen Bewegungen auf die Jagd nach Beute und ist ein hoch fokussierter und effizienter Jäger. Im anderen Fall erkundet das Tier mit flinken Bewegungen seine Umgebung. Es neigt dabei zur Unruhe und ist, was Beute betrifft, unachtsam. Diese konträren Verhaltensweisen resultieren den Wissenschaftlern zufolge aus zwei unterschiedlichen Hirnzuständen.

Gehirnscan beim Schwimmen

Um das Verhalten der Zebrafische und die damit verbundenen Hirnsignale in freier Umgebung zu verfolgen, haben die Forscher ein eigenes Tracking-Mikroskop entwickelt. Damit können sie durch die sehr dünne und transparente Kopfhaut die Aktivität des Gehirns in Echtzeit optisch aufzeichnen und analysieren, während die kleinen Fischlarven ohne Beeinträchtigung umher schwimmen. Diese technische Erfindung verhalf dem Team schließlich dazu, das elektrochemische Uhrwerk im Gehirn auszumachen, welches die zeitliche Struktur von Motivation und Entscheidungsfindung bei den Zebrafischlarven zu beeinflussen scheint.

Den Forschern zufolge gibt es Hinweise darauf, dass dieser Mechanismus im Laufe der Evolution entstand und erhalten blieb. Eine vereinfachte Form davon dürfte auch die Bewegung von Würmern steuern, und eine komplexere Variante könnte die kortikale Aktivität bei Säugetieren und möglicherweise beim Menschen koordinieren. Es werden weiterführende Studien notwendig sein, um vollständig zu verstehen, warum und wie sich dieser Schaltmechanismus im Laufe der Evolution entwickelte und auch erhalten blieb.

Originalpublikation: Marques JC, Li M, Schaak D, Robson DN & Li JM.: Internal state dynamics shape brainwide activity and foraging behaviour, Nature 2019. doi: 10.1038/s41586-019-1858-z

* Dr. D. Fleiter, Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, 72076 Tübingen

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