Unter der Leitung von NTNU-Professor Emre Yakşi, der auch an der türkischen Koç-Universität tätig ist, hat ein internationales Forschungsteam nun grundlegende Mechanismen der Informationsverarbeitung im Gehirn entschlüsselt. Eine im Fachmagazin Science veröffentlichte Studie zeigt am Modell des Zebrafischs, dass die Verarbeitung visueller und mechanischer Reize einer überraschend ähnlichen Netzwerkhierarchie folgt wie bei Säugetieren. Trotz anatomischer Unterschiede nutzen evolutiv weit voneinander entfernte Wirbeltiere dieselbe Verarbeitungslogik, um einzelne Eindrücke zu einer Wahrnehmung zu verknüpfen.
- Signale von Seh- und Erschütterungsreizen verlaufen beim Zebrafisch zunächst getrennt und werden schrittweise im Pallium zusammengeführt.
- Spezialisierte Nervenzellen reagieren erst dann verstärkt, wenn optische Reize und Schwingungen gleichzeitig auftreten.
- Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die hierarchische Reizverarbeitung ein konvergentes Organisationsprinzip der Wirbeltierevolution ist.
Vom Reiz zur ganzheitlichen Wahrnehmung der Umwelt
Im Alltag nimmt ein Organismus Licht, Töne und Erschütterungen über getrennte Sinnesorgane auf. Damit ein Lebewesen zielgerichtet reagieren kann, muss das Gehirn diese isolierten Datenströme zu einem Gesamtbild zusammenfügen. Bei Säugetieren übernimmt der Thalamus diese Verteilerfunktion und leitet die Signale an die Großhirnrinde weiter, wo sie schrittweise integriert werden.
Die Neurowissenschaft stand lange vor der Frage, ob diese hierarchische Organisation eine Besonderheit von Säugetieren ist oder ob auch andere Wirbeltiere vergleichbare Verschaltungen entwickelt haben.
Da sich die Abstammungslinien von Fischen und Säugetieren vor hunderten Millionen Jahren trennten, bieten Zebrafische ein ideales Untersuchungsobjekt. Ihre Gehirne sind zwar anatomisch anders aufgebaut, weisen jedoch grundlegende Merkmale des Wirbeltiernervensystems auf. Zudem ermöglicht die Transparenz junger Zebrafische, die Aktivität großer Gehirnareale im lebenden Organismus optisch zu verfolgen.
2>Spezielle Nervenzellen erkennen parallele Signale
Die Forscher untersuchten, wie junge Zebrafische auf optische Reize und Vibrationen im Wasser reagieren. Dabei identifizierten sie den präglomerulären Komplex (PG) als zentrale Schnittstelle, die visuelle und mechanische Informationen an das sogenannte Pallium weiterleitet – das evolutive Gegenstück zur Großhirnrinde der Säugetiere. Anfänglich verlaufen die Datenströme getrennt. Erst innerhalb des Palliums nimmt die Komplexität der Signalverarbeitung zu.
Dort entdeckte das Team Nervenzellen mit einer Koinzidenzdetektion: Diese Neuronen blieben inaktiv, wenn nur Licht oder nur Erschütterungen auftraten. Trafen beide Reize jedoch zeitgleich ein, zeigten sie eine starke Aktivität. Diese Funktion hilft dem Gehirn festzustellen, ob verschiedene Sinnesreize von demselben äußeren Ereignis stammen.
Obwohl Fische keinen Thalamus wie Säugetiere besitzen, folgt die Signalverarbeitung im Fischgehirn derselben Berechnungslogik.
2>Bedeutung für die Erforschung der Gehirnevolution
Für die Grundlagenforschung bedeutet dieses Ergebnis einen wichtigen Erkenntnisschritt: Es zeigt, dass unterschiedliche evolutive Entwicklungslinien abweichende anatomische Strukturen ausgebildet haben, um dieselbe funktionale Aufgabe zu lösen. Die schrittweise Zusammenführung von Sinnesreizen über hierarchische Netzwerke scheint somit ein universelles Prinzip im Gehirn von Wirbeltieren zu sein.
In kommenden Studien möchte das Forschungsteam die zellulären und molekularen Eigenschaften der beteiligten Schaltkreise genauer entschlüsseln. Zudem soll untersucht werden, wie diese multisensorischen Neuronen konkrete Lernprozesse, Entscheidungsfindungen und Verhaltensanpassungen beeinflussen.
Wie bewerten Sie die Erkenntnis, dass die Grundstruktur unserer Wahrnehmung bereits in so frühen Evolutionsstufen angelegt war? Diskutieren Sie mit uns in den Kommentaren.
