Vögel sind für ihre oft erstaunliche Intelligenz bekannt. Raben sind in der Lage, komplexe Probleme zu lösen, und auch Papageien zeigen oft hohe Intelligenz. Lange Zeit wurde angenommen, dass nicht die absolute Gehirngröße, sondern eher die relative Größe des Gehirns im Verhältnis zum Körper die Intelligenz von Tieren bestimmt. In diesem Punkt schneiden Vögel oft gut ab, da ihr Verhältnis von Gehirnmasse zu Körpermasse oft etwa 1:15 beträgt, während es beim Menschen eher 1:50 ist. Allerdings erreichen auch Mäuse ein Verhältnis von 1:40, obwohl sie nicht intelligenter sind als Menschen.
Neuronendichte als Schlüssel zur Intelligenz
Die Frage, wie Vögel es trotz ihrer relativ kleinen Gehirne schaffen, so intelligent zu sein, führt zu einer verblüffenden Antwort: Die Neuronen in ihren Gehirnen sind deutlich dichter gepackt. So wiegt das Gehirn eines Stars (eines Vogels) etwa 1,9 Gramm und ist damit fast genauso schwer wie das einer Ratte. Allerdings ist die Neuronendichte bei Vögeln deutlich höher. Singvögel und Papageien zeigen eine Weiterentwicklung zu besonders leistungsfähigen Gehirnen, die sich für sehr hohe kognitive Leistungen eignen. Aber auch beim Emu ist die Dichte der Neuronen ja schon höher als bei den meisten Säugetieren. Das bedeutet, dass auch diese Vögel, die sich evolutionär von den anderen untersuchten Vögeln ja schon sehr früh getrennt haben, tendenziell intelligenter sind, als man nach der absoluten Gehirngröße vermuten würde, wenn man Säugetiere als Maßstab heranzieht.
Struktur des Vogelgehirns: Pallium, Kleinhirn und Rest des Gehirns
Das Gehirn von Vögeln lässt sich in drei Teile gliedern: das Pallium (vergleichbar mit der Hirnrinde), das Kleinhirn (Cerebellum) und den Rest des Gehirns. Allerdings ist diese Aufteilung nicht bei allen Vögeln so ausgeprägt. Eulen und Emus beispielsweise haben kein so deutlich vergrößertes Pallium und generell eine kleinere Dichte der Neuronen.
Geschlechtsunterschiede im Vogelgehirn
Bei weiblichen Singvögeln sind die Bereiche des Gehirns, die für das Gesangslernen zuständig sind, meist deutlich kleiner und haben weniger Nervenzellen als bei männlichen Vögeln. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Geschlechtsunterschiede bereits im Gehirn von jungen Vögeln deutlich ausgeprägt sind: Weibchen besitzen bis zu 50 Prozent weniger Nervenzellen in den Gesangszentren. Für das Gesangslernen ist das jedoch zunächst unwichtig. In allen bisher untersuchten Singvögeln finden sich Geschlechtsunterschiede in den Teilen des Gehirns, die für das Erlernen und die Produktion von Gesang zuständig sind: Bei den weiblichen Vögeln sind sie deutlich weniger voluminös und haben viel weniger Nervenzellen. Dies dient oft zur Erklärung, warum die meisten weiblichen Singvögel nicht singen können, beziehungsweise nur einfache Gesänge haben. Die neuroanatomischen Geschlechtsdifferenzen entstehen während der Entwicklung der Vögel und sind genetisch oder hormonell bedingt. Nun gibt es aber - vor allem in den Tropen - Singvogelarten, bei denen beide Geschlechter fast gleich gut singen. Der Gesang dient dort wohl dem Paarzusammenhalt und der ganzjährigen Verteidigung des Brutgebietes und der Nahrungsressourcen gegenüber Artgenossen.
Ähnlichkeiten zwischen Vogel- und Säugetiergehirnen
Manche Vögel können erstaunliche kognitive Leistungen vollbringen - dabei galt ihr Gehirn im Vergleich mit dem von Säugetieren als ziemlich unorganisiert. Forscher haben nun erstmals verblüffende Ähnlichkeiten zwischen dem Neocortex der Säugetiere und sensorischen Hirnarealen von Vögeln entdeckt: Beide sind in horizontalen Schichten und vertikalen Säulen vernetzt. Vögel und Säugetiere haben gemessen an ihrer Körpergröße die größten Gehirne. Ansonsten hätten sie allerdings wenig gemeinsam, so die Überzeugung der Wissenschaft seit mehr als hundert Jahren: Säugetiergehirne verfügen über eine Hirnrinde, die aus sechs Schichten aufgebaut und senkrecht zu diesen Schichten in Säulen hochgradig geordnet ist. Die Gehirne von Vögeln und Säugetieren sehen sich in ihrer Organisation überraschend ähnlich.
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
3D-PLI-Verfahren enthüllt Faseraufbau
Mit dem 3D-PLI-Verfahren (3D-polarisationsbasierten Lichtmikroskopie) konnten Forscher den Faseraufbau im Vogelgehirn detailliert abbilden. Mit der Methode konnten die Forscher drei komplette Taubengehirne in einer Auflösung von 1,3 Millionstel Millimetern analysieren. Jeweils 250 hauchdünne Schnitte wurden dabei hochauflösend gescannt und in 3D rekonstruiert. Das 3D-PLI trägt wesentlich zu einem tieferen Verständnis der Verbindungsstruktur des Gehirns bei und ermöglicht es, über die verschiedenen Spezies hinweg Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Struktur der Netzwerke der Neurone zu erfassen.
Renommee formt Hirn: Soziale Hierarchie beeinflusst Vogelgehirn
Singvögel begeistern nicht nur Ornithologen und Frühaufsteher, sondern auch Neurobiologen: Am Vogelhirn lassen sich sogar bei ausgewachsenen Tieren noch gut lernabhängige Veränderungen in den Nervenbündeln erkennen und auf neue Umwelterfahrungen zurückführen - Erfahrungen wie das soziale Auf und Ab in der Vogelhirarchie. Um diesen aber auf ein Minimum zu beschränken, leben die Gruppentiere oft in einer Rangordnung, die, erst einmal ausgefochten, recht dauerhaften Bestand hat. Ändert sich aber der soziale Status eines Individuums in der Dominanzhierarchie, so wird oft nicht nur sein Verhalten, sondern auch seine Physiologie erheblich beeinflusst. In jeder Gruppe gibt es ein dominantes Brutpaar; alle übrigen Gruppenmitglieder sind dem dominanten Paar untergeordnet und helfen diesem bei der Aufzucht des Nachwuchses. Die dominante Position in einer Gruppe wird in der Regel ein Leben lang beibehalten. Es gibt zwei unterschiedliche Arten des Gesangs: zum einen den Duettgesang, der sich bei mehr als zwei mitsingenden Tieren zum Chorusgesang ausweitet, der von allen Vögeln gesungen wird und hauptsächlich der Revierverteidigung dient. Zum anderen den ausschließlich vom dominanten Männchen jeder Gruppe präsentierten Sologesang, der meistens nur zu Sonnenaufgang während der Brutzeit zu hören ist und sehr wahrscheinlich der Kommunikation mit dem Weibchen dient. Sobald ein erwachsenes Männchen die dominante Position in einer Gruppe übernimmt, muss es zusätzlich zu dem ganzjährig produzierten Duett- und Chorusgesang regelmäßig ein Solo geben. Bei den dominanten Männchen sind die im Vorderhirn liegenden Gesangskontrollzentren, der HVC (High Vocal Center) und die so genannte RA-Region (sie überwacht die Gesangsmotorik) um 30 Prozent größer als bei subdominanten. Darüber hinaus weist der HVC in Abhängigkeit vom Dominanzstatus eine veränderte Genexpression auf: Bei den dominanten Männchen ist die Expression von Steroidhormonrezeptoren und einiger synaptischer Proteine im Vergleich zu den subdominanten Männchen deutlich herabgesetzt. "Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass mit der Änderung des sozialen Ranges in der Gruppe und der daraus resultierenden Verhaltensänderungen eine Umorganisation der entsprechenden Gehirngebiete im erwachsenen Vogel stattfinden muss", fasst Leitner zusammen.
Evolution des Palliums: Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Vögeln und Säugetieren
Die Gehirne von Vögeln unterscheiden sich in grundlegenden Aspekten ihres Aufbaus von Reptilien- und insbesondere von Säugetiergehirnen. Trotzdem verfügen einige Vogelarten über ähnlich komplexe kognitive Fähigkeiten wie etwa Menschenaffen. Dabei spielt das sogenannte Pallium eine entscheidende Rolle. Dieser im Vorderhirn angesiedelte Bereich besteht beim Menschen hauptsächlich aus der gefalteten Großhirnrinde, ist jedoch in Vögeln ganz anders aufgebaut, obwohl er ähnliche Funktionen erfüllt. Die Analysen zeigen, dass sich trotz der unterschiedlichen Gehirnarchitekturen über alle untersuchten Arten hinweg jene Nervenzellen besonders stark ähneln, die die Gehirnaktivität regulieren. Während sich einige von ihnen kaum veränderten, etwa in dem für die Lernfähigkeit und Gedächtnisleistung wichtigen Hippocampus, entwickelten sich andere stark auseinander oder organisierten sich anatomisch neu. Unerwartet für die Wissenschaftler: „Bestimmte erregende Neuronen besitzen artenübergreifend wahrscheinlich einen gemeinsamen evolutionären Ursprung. Dies betrifft die Nervenzellen in tieferen Schichten des Neokortex, der bei Säugetieren für höhere kognitive Fähigkeiten verantwortlich ist, und die Neuronen im sogenannten Mesopallium der Vögel. Diese Erkenntnis stellt bestehende Annahmen zur Evolution dieser Gehirnregionen infrage.“ Auch zum Hyperpallium, einer ausschließlich bei Vögeln vorkommenden Struktur innerhalb des Palliums, liefern die Forschungsarbeiten neue Erkenntnisse. Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass das Hyperpallium vergleichbar ist mit dem Neokortex von Säugetieren. Wie das Heidelberger Forschungsteam nun zeigen konnte, ähneln sich zwar einige Neuronen; andere unterscheiden sich jedoch grundlegend. Stattdessen offenbart sich ein wesentlich komplexeres evolutionäres Muster aus Erhaltung, Divergenz und Konvergenz. Die Forscherinnen und Forscher fanden zudem heraus, dass bestimmte Nervenzellen in zwei weit voneinander entfernten Regionen des Vogelgehirns große Ähnlichkeit aufweisen, obwohl sie jeweils einen anderen Ursprung im Embryo haben.
Großhirn und Cortex bei Vögeln
Alle Wirbeltiere haben ein Großhirn und somit auch Vögel. Das Großhirn besteht aus dem Pallium (lat. Mantel) sowie subpallialen Strukturen wie zum Beispiel den Basalganglien. Bei uns Säugetieren bildet sich aus dem dorsalen Teil des Palliums der Cortex (lat. Großhirnrinde), der für die höheren kognitiven Leistungen zentral ist. Vögel haben auch ein Pallium und auch Basalganglien. Mittlerweile wissen wir, dass Vögel auch ein dorsales Pallium besitzen, das sich bei Säugern zum Cortex entwickelt. Doch bei den Vögeln entsteht daraus ein Teil des Großhirns, das sich vom Cortex der Säuger deutlich unterscheidet: Es besteht zwar aus denselben Arten von Zellen wie der Cortex im Säugergehirn, aber es ist nicht geschichtet. Während der Cortex der Säuger aus Schichten unterschiedlicher Arten von Neuronen aufgebaut und, etwa beim Menschen, stark gefaltet ist, ist diese Region des Cortex bei Vögeln in Zellhaufen organisiert. Vögel haben also durchaus ein Großhirn, aber sie haben keinen Cortex. Sie besitzen somit eine Hirnstruktur, die ein evolutionäres Homolog zum Cortex darstellt und dieselbe Funktion übernimmt. Die Vögel sind also keineswegs dümmer als die Säugetiere, weil sie diese geschichtete Struktur nicht besitzen. Ihr Gehirn ermöglicht ihnen ähnlich effiziente kognitive Verarbeitungsmechanismen wie bei Säugetieren. Dazu gehören etwa die erstaunlichen Navigationsleistungen mancher Vogelarten und die Fähigkeit, sich an Hunderte von abstrakten Symbolen zu erinnern und sogar logische Schlüsse zu ziehen. Durch die Forschung an Vögeln, vor allem an Tauben, wissen wir also, dass der Cortex der Säugetiere nur eine von verschiedenen Möglichkeiten ist, ein Gehirn so zu organisieren, dass höhere kognitive Leistungen möglich sind.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Lesen Sie auch: Tinnitus und Gehirnaktivität: Ein detaillierter Einblick
tags: #gehirn #zu #vogel #ilustration