Unser Gehirn muss komplexe Aufgaben in mehrere Schritte hierarchisch unterteilen und zu einem sinnvollen Verhalten koordinieren. Wie das im Detail passiert und ob dabei Neuronen diese Hierarchie widerspiegeln, war bisher unklar.

Neurowissenschafter Manuel Zimmer, Professor an der Universität Wien und Gruppenleiter am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP), und sein Team zeigten anhand des Wurms Caenorhabditis elegans, dass hierarchisches Verhalten von hierarchischer neuronaler Aktivität kontrolliert wird. Ihre Studie erscheint aktuell in Neuron.

Dies ist eine der ersten Studien, die zeigt, dass eine Hierarchie von neuronalen Aktivitäten eine Hierarchie von Verhaltensweisen kontrolliert. “Es geht hier nicht nur darum, wie ein Wurm durch die Erde kriecht”, betont Zimmer, “sondern um die Prinzipien, nach denen das Gehirn das Verhalten organisiert. Diese Prinzipien lassen vielleicht auch Rückschlüsse auf den Menschen zu, fügt Zimmer hinzu: “Die menschliche Sprache ist ebenfalls hierarchisch organisiert, mit Silben, Wörtern und Sätzen. Möglicherweise könnten dieselben Prinzipien die Spracherzeugung und das Sprachverständnis im menschlichen Gehirn regeln.”

Die Verhaltensforscher Konrad Lorenz und Niko Tinbergen beobachteten bereits in den 1940 Jahren, dass Tiere längere Verhaltensweisen wie die Paarung in mehrere Schritte unterteilen.

Um sich zu vermehren, muss etwa ein Stichling Entscheidungen treffen wann er am Nest baut, mit Rivalen kämpft oder sich gerade um die Nachkommen kümmert.

Um ein Nest zu bauen, muss der Fisch zuerst mit seinen Flossen eine Höhle graben, was sich wiederum aus einzelnen Bewegungsabläufen zusammensetzt. Um langfristig erfolgreich zu sein, müssen all diese Schritte und Entscheidungen richtig koordiniert werden.

Koordination ist der Schlüssel

Manuel Zimmer und seine Forschungsgruppe, darunter ErstautorInnen und Doktoranden Harris Kaplan und Oriana Salazar Thula, präsentieren in ihrer neuen Studie Belege dafür, dass hierarchische Aktivität in den Neuronen das Verhalten koordiniert.

Die NeurowissenschafterInnen nutzten dazu den Wurm Caenorhabditis elegans als ihren Modellorganismus, da das Nervensystem des Wurmes aus nur 302 Neuronen besteht, deren Aktivität jeweils in Echtzeit aufgezeichnet werden kann.

Neuronale Hierarchie kontrolliert das Kriech-Verhalten

Zimmer und sein Team nutzten verschiedene Mikroskopietechniken, wodurch sie beobachten können, welches Neuron des Wurms zu einer bestimmten Zeit aktiv ist.

So identifizierten sie aktive Neuronen, die jeder Stufe einer Verhaltenshierarchie entsprechen. Manche Neuronen waren über längere Zeit aktiv, z.B. während der Wurm vorwärts kriechen wollte, hörten aber auf zu feuern, wenn der Wurm rückwärts kroch.

Die Forscher beobachteten dabei, wie die Aktivitäten anderer Neuronen, welche schnellere Bewegungsabläufe kontrollieren (z.B. Kopfbewegungen), hierarchisch in die langsameren Aktivitätsmuster eingebettet waren.



Harris S. Kaplan, Oriana Salazar Thula, Niklas Khoss & Manuel Zimmer: “Nested neuronal dynamics orchestrate a behavioral hierarchy across timescales” DOI: 10.1016/j.neuron.2019.10.037

Quelle/Sender: Universität Wien