Wissenschaftler identifizieren Gehirnschaltkreise, die mit dem Verhalten von Fischschwärmen zusammenhängen

Ein Schwarm Zuggänse gleitet in einer charakteristischen „V“-Formation über den Sommerhimmel … eine donnernde Herde Bisons donnert wie eine furchteinflößende Gruppe über die Ebene … und ein riesiger Sardinenschwarm schwimmt hypnotisierend hinterher.

Seit Jahrzehnten untersuchen Ökologen und Tierverhaltensforscher diese Art von Gruppenverhalten bei verschiedenen Arten. Wissenschaftler der University of California in San Diego untersuchen nun ihre Ursprünge aus der Perspektive des Gehirns. Wie entwickeln Tiergruppen koordinierte Bewegungen? Wie können so viele einzelne Gehirne Informationen austauschen, um ein einzigartiges, konsistentes Verhalten zu erzeugen?

In der Zeitschrift veröffentlicht Aktuelle BiologieDie Postdoktoranden David Zada ​​​​und Lisanne Schulze vom Labor des Assistenzprofessors Matthew Lovett-Barron an der School of Biological Sciences untersuchten Schwärme winziger transparenter Glasfische (Danionella cerebrum), um faszinierende Antworten auf diese Fragen zu finden.

„Kollektive soziale Verhaltensweisen wie Fischschwärme und Vogelschwärme sind bemerkenswerte Manifestationen der Verhaltenskomplexität in der natürlichen Welt, aber es ist wenig darüber bekannt, wie diese Verhaltensweisen aus den Gehirninteraktionen vieler Individuen entstehen“, sagte Lovett-Barron, Assistenzprofessorin in die Abteilung für Neurobiologie. „Wir wissen nicht viel darüber, wie die neuronalen Prozesse einzelner Tiere kooperatives Verhalten hervorrufen. »

Zu den neuen Erkenntnissen gehört, dass Glasfische beim Schwimmen in Gruppen auf ihren Sehsinn angewiesen sind. Während einige Fischarten bekanntermaßen ihren Sinn für den Wasserfluss nutzen, um gemeinsam zu schwimmen, nutzt der Glasfisch nur das Sehvermögen, wie Forscher durch eine Reihe von Experimenten herausfanden.

Mithilfe maschineller Lernwerkzeuge zur Verfolgung von Fischbewegungen über verschiedene Altersstufen hinweg stellten sie außerdem fest, dass sich die Fähigkeit, koordinierte Gruppenbewegungen zu verfolgen, mit zunehmender Reife von Individuen entwickelt.

So wie Jungtiere im Laufe ihres Wachstums komplexe soziale Fähigkeiten entwickeln, verfeinern Glasfische mit zunehmendem Alter ihre Fähigkeit, sich in koordinierten sozialen Gruppen zu bewegen. Fische, die in normalen sozialen Umgebungen aufgezogen wurden, mieden im Alter von zwei Wochen andere Fische, erlangten dann nach vier Wochen die Fähigkeit, sich mit anderen Fischen zu gruppieren, und erreichten schließlich nach sechs Wochen die volle soziale Ausrichtung in Schulen.

Da Glasfische sehr transparent sind, konnten Forscher mithilfe optischer Mikroskope Bilder ihrer Gehirnaktivität aufnehmen. Sie zeichneten Tausende von Neuronen in den Gehirnen von Glasfischen auf, die sich in einer Panorama-Virtual-Reality-Umgebung befanden, in der die Fische sich bewegende Formen beobachteten, die die Erfahrung des Schwarmlebens nachahmten.

Die Forscher identifizierten aktive Schaltkreise, indem sie Bilder von GCaMP, einem fluoreszierenden Protein, in Neuronen aufzeichneten. GCaMP leuchtet am hellsten in Gegenwart von Kalzium, das in die Zellen gelangt, wenn Neuronen aktiv sind. Diese Aktivitätsaufzeichnungen zeigten, dass das Gehirn von Glasfischen darauf reagiert, ihre Sozialpartner zu sehen, und dass Reife für die soziale Vision wichtig ist.

Während Glasfische jeden Alters die Bewegungen ihrer virtuellen Sozialpartner wahrnehmen konnten, konnten nur ältere Fische zwischen den Bewegungen fischähnlicher Formen und denen nichtfischähnlicher Formen unterscheiden. Forscher glauben, dass die Entwicklung dieser visuellen Fähigkeit es Glasfischen ermöglicht, ihren Körper an ihren Sozialpartnern auszurichten, um in Schwärmen richtig schwimmen zu können.

Um diese Idee weiterzuführen, untersuchten die Forscher isoliert gezüchtete Fische. Diese Fische zeigten im Vergleich zu ihren in Gruppen aufgezogenen Artgenossen ein stark beeinträchtigtes Gruppenverhalten und eine unausgereifte visuelle Verarbeitung sozialer Reize.

„In der Natur beobachten wir, dass sich große Gruppen von Tieren als zusammenhängende Einheit bewegen können, und unser Labor arbeitet daran zu verstehen, wie das Gehirn von Individuen in der Lage ist, auf die Handlungen ihrer Sozialpartner zu achten, um dieses Verhalten gruppenweit hervorzurufen.“ Lovett-Barron sagte. „In dieser Studie haben wir herausgefunden, dass diese sozialen Fähigkeiten im Laufe der Entwicklung allmählich entstehen, wenn das Nervensystem reift. »

Glasfische, die als Erwachsene nur 10 bis 12 Millimeter lang sind (etwa die Breite eines Bleistifts), sind erst seit Kurzem ein Modellsystem für biologische Studien. Der eng verwandte Zebrafisch wird umfassend untersucht, verliert jedoch mit zunehmendem Alter seine geringe Größe und Transparenz. Glasfische hingegen bleiben ihr ganzes Leben lang klein und nahezu durchsichtig, was Biologen neue Möglichkeiten bietet, das Gehirn in Aktion zu beobachten.