Fledermäuse sind faszinierende Lebewesen, die für ihre Fähigkeit zur Echoortung bekannt sind. Diese Fähigkeit ermöglicht es ihnen, sich in ihrer Umgebung zu orientieren und Beute zu finden, indem sie Ultraschalllaute ausstoßen und die zurückgeworfenen Echos interpretieren. Die anatomische Struktur des Fledermausgehirns spielt eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung dieser akustischen Signale und der Steuerung der Lautbildung. Neurowissenschaftliche Studien haben in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte bei der Aufklärung der komplexen neuronalen Schaltkreise und Mechanismen im Fledermausgehirn erzielt.
Rückkopplungsschleife in der Hörrinde
Neurowissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt haben herausgefunden, dass beim Ausstoßen von Lauten zur Echoortung eine Rückkopplungsschleife die Empfänglichkeit der Hörrinde für eingehende akustische Signale moduliert. Ihre in der Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichte Studie zeigt, dass sich der Informationsfluss im beteiligten neuronalen Schaltkreis im Zuge der Lauterzeugung umkehrt. Diese Rückkopplung bereitet die Hörrinde wahrscheinlich auf die zu erwartenden Echos der ausgesandten Laute vor.
Normalerweise fließt die Information vom Stirnlappen, in dem die Lauterzeugung geplant wird, zur Hörrinde, um diese darauf vorzubereiten, dass demnächst ein akustisches Signal zu erwarten ist. Nach dem Ausstoß eines Ortungslautes reduziert sich allerdings der Informationsfluss vom Stirnlappen zur Hörrinde, bis er sich ganz umkehrt: Die Information floss nun von der Hörrinde zurück zum Stirnlappen. Durch eine elektrische Stimulation des Frontallappens simulierten die Neurobiologen von der Hörrinde stammende Signale. Die dadurch erzeugte Aktivität im Stirnlappen führte tatsächlich dazu, dass die Hörrinde stärker auf Schallreflexionen reagierte.
Julio C. Hechavarria, ein Neurowissenschaftler an der Goethe-Universität, veranschaulicht die Bedeutung der Ergebnisse mit dem Bild einer Autobahn: „Bislang hat man geglaubt, dass der Informationsfluss auf dieser Datenautobahn in erster Linie in einer Richtung verläuft und Rückkopplungsschleifen die Ausnahme sind.“ Überraschenderweise konnte bei Kommunikationslauten keine ausgeprägte Umkehr des Informationsflusses beobachtet werden. Hechavarria vermutet, dass dies daran liegen könnte, dass die Fledermäuse alleine in einer Isolationskammer gehalten wurden und daher keine Antwort auf ihre Rufe erwarteten.
Neuronale Schaltkreise und Lautbildung
Eine weitere Studie von Biologen der Goethe-Universität Frankfurt hat gezeigt, dass ein bestimmter neuronaler Schaltkreis im Gehirn die Lautäußerungen von Fledermäusen kontrolliert. Die Forscher konnten anhand des Rhythmus, in dem der Schaltkreis schwang, vorhersagen, welche Art von Lauten die Fledermäuse unmittelbar danach ausstoßen würden.
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Die Wissenschaftler identifizierten eine Gruppe von Nervenzellen, 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.
Um ihre Hypothese zu testen, schrieben die Frankfurter Forscher ein Computerprogramm, das die aufgezeichneten Laute getrennt vom neuronalen Rhythmus analysierte und dann anhand der verschiedenen Rhythmen Prognosen erstellte. 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.
Dieser neuronale Rhythmus der Fledermaus gleicht einem Rhythmus, der häufig am menschlichen Kopf gemessen werden kann. Die Forscher folgern daraus, dass dieser Typ des neuronalen Rhythmus generell mit der Lautbildung von Säugetieren zusammenhängen könnte. Julio Hechavarria betont, dass Fledermäuse seit mehr als 50 Jahren als Tiermodell zur Untersuchung der Hörreizverarbeitung und der Sprachentwicklung beim Menschen dienen. Die Studie konnte erstmals zeigen, wie voneinander entfernte Hirnregionen bei der Fledermaus während der Lautbildung miteinander kommunizieren. Gleichzeitig ist bekannt, dass die entsprechenden Gehirnnetzwerke bei Menschen gestört sind, die beispielsweise als Folge einer Parkinson-Krankheit stottern oder bei einem Tourette-Syndrom unwillkürliche Laute ausstoßen.
Abweichungserkennung im Hirnstamm
Die Brillenblattnasen-Fledermaus (Carollia perspicillata) lebt in den subtropischen und tropischen Wäldern Mittel- und Südamerikas und ernährt sich dort hauptsächlich von Pfefferfrüchten. Sie nutzen ihre Stimme sowohl zur Kommunikation mit Artgenossen als auch zur Echoortung. Wie aber gelingt es der Brillenblattnase, aus einer permanenten Geräuschkulisse die wichtigen Laute herauszufiltern?
Ein gängiges Erklärungsmodell besagt, dass das Gehirn laufend Vorhersagen für das nächste Signal macht und auf ein unerwartetes Signal stärker reagiert als auf ein erwartetes. Die Mechanismen dieser Abweichungserkennung (Deviance Detection) untersuchen Neurowissenschaftler*innen um Johannes Wetekam und Prof. Manfred Kössl aus der Abteilung Neurobiologie und Biosensorik am Institut für Zellbiologie und Neurowissenschaften der Goethe-Universität.
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In einer Studie aus dem Jahr 2021 konnte das Team bereits zeigen, dass die Verarbeitung der Signale nicht erst in höheren Hirnregionen beginnt, sondern bereits im Hirnstamm, der für die Steuerung wesentlicher Lebensfunktionen wie Atmung und Herzfrequenz zuständig ist. In einer späteren Studie wiederholte das Team die Experimente mit natürlichen Kommunikations- und Echoortungslauten.
Den Fledermäusen wurden zwei haarfeine Elektroden unter die Kopfhaut geschoben, um dort die Hirnströme aufzuzeichnen. Den Tieren wurden dann entweder Echoortungs- oder Kommunikationsrufe vorgespielt, in die mit einer Wahrscheinlichkeit von zehn Prozent der jeweils andere Laut eingestreut war. An den gemessenen Hirnströmen ließ sich dann ablesen, dass der Hirnstamm Echoortungs- und Kommunikationsrufe unterschiedlich verarbeitet. Während seltene Echoortungslaute tatsächlich stärkere Signale hervorriefen als häufige - also Abweichungserkennung zeigten - hatte bei den Kommunikationslauten die Auftrittswahrscheinlichkeit keinen Einfluss auf die Antwortstärke.
Manfred Kössl vermutet, dass während der Echoortung schnellere Reaktionszeiten benötigt werden als bei der Kommunikation mit Artgenossen. Da der Hirnstamm die akustischen Signale als erste Station im Gehirn empfängt, könnte es nötig sein, schon hier die Auftrittswahrscheinlichkeiten von Echoortungsrufen und vor allem deren Echos zu berechnen, damit das Tier Hindernissen rechtzeitig ausweichen kann.
Die Studie zeigte auch, dass der Hirnstamm neben Unterschieden in der Tonhöhe auch noch andere Merkmale der Fledermausrufe wie schnelle Frequenz- oder Lautstärkeänderungen für die Abweichungserkennung nutzen kann. Johannes Wetekam betont, dass dies erstaunlich ist, da es sich beim Hirnstamm um ein recht primitives Hirnareal handelt, dem man nicht zugetraut hatte, stark an der Signalverarbeitung beteiligt zu sein. Seine Rolle wurde eher darin gesehen, Signale vom Hörnerv zu empfangen und an höhere Hirnregionen weiterzuleiten.
Knochenkonstruktion für Echoortung
Ein internationales Forschungsteam hat eine spezielle Knochenkonstruktion im Schädel einiger Fledermausarten entdeckt, die es ihnen ermöglicht, ihre Echosignale über den Kehlkopf ausstoßen. Diese Entdeckung ermöglicht es, diese Fledermäuse von solchen zu unterscheiden, die Klicklaute der Zunge zur Orientierung nutzen oder ganz auf Echoortung verzichten.
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Die Forscher erstellten detaillierte 3D-Scans der inneren Anatomie von Fledermausschädeln mithilfe von Computertomografie-Systemen. Sie entdeckten, dass der Stylohyal-Knochen den Kehlkopf mit den Knochen in der Nähe des Trommelfells verbindet. Diese Verbindung war nur bei den Tieren zu finden, die ihre Echo-Ortung über den Kehlkopf ausübten.
Die Entdeckung hat auch Konsequenzen für die Bewertung der Urahnen der Fledermäuse. Untersuchungen am ältesten Fledermausfossil (Onychonycteris finneyi) hatten bisher ergeben, dass sich dieses Tier wohl nicht über Echo-Ortung im Raum orientierte. Doch das Fossil verfügt, wie die Tiere, die sich über den Kehlkopf orientieren, über die Verbindung zwischen Kehlkopf und den Knochen am Trommelfell. Schon diese Ur-Fledermaus dürfte sich also mit Echosignalen im Raum bewegt haben.
Wahrnehmung räumlicher Struktur
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen und der Ludwig-Maximilians-Universität München haben in einer Studie gezeigt, dass die Echoortung von Fledermäusen Informationen über dreidimensionale Raumstruktur verwendet, wie sie auch der Sehsinn verwendet. Die Studie ergab, dass Echos Informationen enthalten, die es den Tieren ermöglichen, verschieden strukturierte Oberflächen voneinander zu unterscheiden.
Die Forscher brachten ihren Fledermäusen bei, eine glatte Oberfläche von einer geriffelten Oberfläche zu unterscheiden - im Dunklen, also nur mit Hilfe von Echoortung. Es zeigte sich, dass die Tiere sehr viel besser darin waren, geriffelte Oberflächen zu detektieren, wenn diese eine hohe Raumfrequenz, also viele Wellen auf enger Fläche hatten. Dann konnten sie sogar Wellen von nur etwa ein bis zwei Millimeter Höhe wahrnehmen. War die Raumfrequenz jedoch sehr niedrig, also nur wenige Wellen auf der gesamten Fläche abgebildet, konnten die Tiere keinen Unterschied zwischen der glatten und der geriffelten Fläche feststellen, selbst wenn die Wellen über drei Zentimeter hoch waren.
Die Wissenschaftler simulierten die neuronale Aktivität, wie sie im Hörnerv der Tiere vorliegt, und fanden heraus, dass die Echos jede Menge Information enthalten, um verschieden strukturierte Oberflächen voneinander zu unterscheiden.
Hemisphärenspezialisierung im Gehirn
Forscher des Georgetown University Medical Center haben eine Aufgabenverteilung im Gehirn von Fledermäusen der Gattung Pteronotus entdeckt, die der des Menschen ähnelt. Die Hörzentren der linken Hälfte scheinen auf schnelle Klangveränderungen ausgerichtet zu sein, während die der rechten Hälfte langsam variierende Merkmale verarbeiten.
Mit der rechten Hälfte lauscht die Fledermaus sehr genau auf Frequenzveränderungen, was für Ortung und Umgebungserkundung wichtig ist. Die Fähigkeit der linken Hälfte hilft dem Tier hingegen bei der Kommunikation mit Artgenossen, wobei es eher auf ein präzises Timing als auf exakte Frequenzen ankommt.
Hinter dieser Hemisphärenspezialisierung scheint ein Ressourcenkonflikt zu stehen. Wenn eine Hirnregion die Frequenzverteilung des Gehörten mit hoher Auflösung ermitteln soll, geht das auf Kosten ihres zeitlichen Auflösungsvermögens und umgekehrt.
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