image: A series of images (start, top left; end, bottom right) showing neuronal activity moving through the brain. Each image shows activity recorded at 64 points (8 x 8 grid) with more red colors indicating higher activity. At the start, a wave of activity sweeps across the recording array in a right to left direction and then dissipates. The wave then emerges again near the bottom center of the array and expands outward as a ring of activity as the plume passes perpendicular to the plane of the array. view more
Credit: MPI f. Ornithology/ Rattenborg
Diese Pressemitteilung ist verfügbar auf Englisch.
Wenn wir in einen tiefen Schlaf fallen, ziehen gleichmäßige und lange Wellen neuronaler Aktivität durch den Neocortex, der Teil der Großhirnrinde ist. Auch Vögel haben eine Tiefschlafphase, besitzen aber keinen Neocortex. Forscher vom Max-Planck-Institut für Ornithologie in Seewiesen haben nun zum ersten Mal zusammen mit Kollegen aus den Niederlanden und Australien Einblick in das schlafende Vogelgehirn bekommen. Sie fanden dort eine sich in komplexen dreidimensionalen Wolken ausbreitende Gehirnaktivität, die sich von der zweidimensionalen Wellenstruktur bei Säugetieren klar unterscheidet. Die Ausbreitung der Aktivitätswellen im Vogelhirn benötigt also keine in Schichten angeordnete Nervenzellstruktur wie im Neocortex der Säuger. Stattdessen folgen die 3D-Wolken wahrscheinlich anderen Regeln.
Säugetiere, einschließlich uns Menschen, brauchen für das Lösen komplizierter geistiger Aufgaben die Rechenleistung im Neocortex. Auch beim Schlaf spielt er eine wichtige Rolle: Während des Tiefschlafes bilden die Aktivitäten seiner Nervenzellen eine langsame Schwingung aus, die als Welle durch den Neocortex wandert, ähnlich den Zuschauern bei einer "La-Ola-Welle" im Stadion. Es wird vermutet, dass diese Welle der Koordination der Informationsverarbeitung in weiter entfernt liegenden Gehirnregionen dient. Vögel besitzen zu den Säugetieren vergleichbare Fähigkeiten, haben aber eine unterschiedliche Gehirnstruktur. Ihnen fehlt die für den Neocortex charakteristische schichtweise Anordnung der Nervenzellen. Stattdessen sind dort gleichgestaltete Nervenzellen zu einfacheren kernartigen Nervenzellhaufen zusammengefasst.
Forscher vom Max-Planck-Institut für Ornithologie in Seewiesen haben nun mit Kollegen aus den Niederlanden und Australien an Zebrafinken-Weibchen untersucht, wie sich deren Gehirnaktivität im Schlaf über Raum und Zeit ändert. "Als wir die Aufnahmen der Gehirnaktivität zum ersten Mal sahen, schien es, als ob die Tiefschlaf-Wellen gleichzeitig in allen Aufzeichnungsorten im Gehirn vorhanden waren. Erst als wir die Daten in einem Film in Zeitlupe abspielten, zeigte sich ein faszinierendes Muster", sagt Gabriël Beckers von der Universität Utrecht, der am Max-Planck-Institut eine hochauflösende Aufnahmemethode entwickelt hatte. Die Aktivitätswellen der Nervenzellen bewegten sich entlang des Neocortex in zweidimensionalen Bögen. Diese zeigten sich auch noch, wenn im 90 Grad-Winkel dazu gemessen wurde. Auf diese Weise ergaben sich dreidimensionale Wolken, die in verschiedenen Gehirnregionen gefunden wurden. Dieses neuartige Muster könnte also allgemeingültig für die Nervenzell-Aktivität im Vogelgehirn sein.
Die Ergebnisse lassen auch Rückschlüsse auf Schlafmuster im Neocortex der Säugetiere zu: "Für die Verbreitung von Tiefschlaf-Wellen ist eine schichtweise Anordnung der Nervenzellen wie im Neocortex nicht notwendig", sagt Niels Rattenborg, Leiter der Forschungsgruppe "Vogelschlaf" in Seewiesen. "Wenn die Schichten kein einzigartiges Merkmal für diese Art der Nervenorganisation sind, kann die Forschung an Vögeln unser Verständnis verbessern, was das Besondere am Neocortex ist", so Rattenborg weiter.
Die Forscher vermuten, dass die dreidimensionale Verbreitung der Wellen im Vogelhirn anderen Gesetzen als im Neocortex gehorcht. So ist beispielsweise im Laufe der Evolution der Vögel der dreischichtige Aufbau des Cortex der Reptilien – den Vorfahren der Vögel – durch kernartige Gehirnstrukturen ersetzt worden. "Vermutlich bietet dieser eher unstrukturierte Zusammenschluss der Nervenzellen zu Gehirnkernen im Vogelhirn Vorteile, die sich bislang noch unserem Verständnis entziehen. Unsere Ergebnisse im schlafenden Vogelhirn könnten zur Lösung dieses Phänomens beitragen", sagt Niels Rattenborg.
Journal
BMC Biology