Wenn Zugvögel zielsicher ihr Winterquartier aufsuchen und anschließend über tausende von Kilometern an ihre Brutplätze zurückkehren, wenn Bienen eine Wiese mit pollenreichen Blumen ansteuern und danach ebenso zielsicher wieder in den Stock zurückfliegen, wenn wir selbst – auch ohne Smartphone und GPS – täglich problemlos zur Arbeit und danach wieder nach Hause finden – dann ist dies alles das Werk von speziellen Neuronen in unseren Gehirnen. Wie die funktionieren, ist zum Teil schon bekannt; 2014 gab es dafür den Medizin- bzw. Physiologie-Nobelpreis. Im Fachblatt „Science“ weisen israelische Forscher bei Flughunden nun erstmals eine wichtige weitere Variante dieser Navigations-Neuronen nach.

Wie komme ich zuverlässig von Ort A zu Ort B und danach wieder zurück? Navigation ist eine der lebenswichtigen Hauptaufgaben für praktisch jedes Lebewesen – kein Wunder, dass sich die Evolution da ein paar sehr ausgeklügelte und bewährte Mechanismen hat einfallen lassen – egal, ob wir jetzt als Fledermaus, Biene oder Mensch unterwegs sind. Bislang konnten Forscher zwei Typen von Navigations-Neuronen identifizieren, sagt Nachum Ulanovsky vom Weizman Institute of Science in Rehovot:

Die „Ortszellen“ sagen ‘Ich bin hier am Punkt A’, und die „Rasterzellen“ sagen mir wie bei einem Millimeterpapier etwas über Entfernungen und absolute Richtungen. Aber – ich sitze jetzt hier in meinem Büro im Institut – ich weiß, wo die Cafeteria ist, auch wenn ich sie nicht sehe. Ich habe also in meinem Gehirn eine Repräsentation vom Ziel, vom Punkt B. Aber wie die im Detail funktioniert, war bislang unklar – das lässt sich mit dem bislang bekannten Konzept von Orts- und Rasterzellen nur schwer verstehen.    

Ulanovsky und seinen Mitarbeitern – allen voran seine Doktorandin Ayelet Sarel, die Hauptautorin der Science-Studie – gelang es, die Gehirn-Aktivitäten von Nilflughunden (Rousettus aegyptiacus) aufzuzeichnen, während diese zu einem zuvor antrainierten Rast- und Fressplatz im Labor der Wissenschaftler flogen. Dazu hatten die Forscher den Tieren Messsonden implantiert. Die registrierten die elektrischen Signale in der für die Navigation zuständigen Hirnregion, im Hippocampus – aufgelöst bis hin zum Feuern von einzelnen Nervenzellen.

Das technisch Neue dabei ist: Wir haben diese Sonden in den letzten Jahren so weiterentwickelt und verkleinert, dass wir drahtlos, ohne Kabel aufzeichnen können – also wirklich bei den fliegenden Tieren.       

Wie sich die Fledertiere im Raum bewegten, protokollierten die Forscher mit zwei Kameras. Und anschließend analysierten sie mit Computerhilfe, ob es einen systematischen Zusammenhang zwischen den Positionsdaten und den Gehirnaktivitäten gab.

Dabei haben wir herausgefunden: Da sind tatsächlich Neuronen im Hippocampus, die den jeweiligen Winkel relativ zum Ziel repräsentieren. Also ein bestimmtes Neuron ist aktiv, wenn die Fledermaus genau auf das Ziel zufliegt, Winkel 0 Grad; ein anderes Neuron ist aktiv, wenn das Ziel rechts ist, also Winkel 90 Grad – und so weiter.

Damit gab es also erstmals einen Beleg für eine seit langer Zeit diskutierte und auch aufgrund von Verhaltensexperimenten naheliegende Hypothese:

Fast 20 Prozent der Neuronen im Hippocampus zeigten eine Repräsentation des Ziels, also wirklich eine große Anzahl. Einige Neuronen haben die Entfernung zum Ziel codiert, einige die Richtung, einige beides. Richtung und Entfernung zusammen bezeichnet man auch als Vektor – was wir also herausgefunden haben: Es gibt eine vektorbasierte Repräsentation eines Navigationsziels im Hippocampus der Fledertiere.

Dass es sich bei den entdeckten Neuronen wirklich um einen anderen Typ handelt als die bekannten Orts- und Rasterzellen, konnten die Forscher mit zwei Modifikationen ihres Experimentes zeigen.

Wir haben das Ziel einfach verschoben. Und dann haben die Neuronen, die auf die alte, trainierte Position ausgerichtet waren, aufgehört zu feuern. Und andere Neuronen passend zur neuen Position wurden aktiv – das ist also wirklich spezifisch auf den aktuellen Zielort bezogen.

In der zweiten Variante verhüllten die Wissenschaftler das Ziel mit einem Vorhang, der den Landeplatz auch für das Ultraschall-Sonar der Flughunde unsichtbar werden ließ. Davon ließen sich die Tiere aber nicht beirren, die Winkel- oder Vektor-Neuronen blieben weiterhin auf das zuvor trainierte Ziel hin ausgerichtet und aktiv:

Das zeigt, diese Repräsentation ist eine mentale, eine Gedächtnisleistung, sie basiert nicht einfach auf Sinneseindrücken – das ist großartig, denn das ist in der Tat genau das, was man für eine Navigation ohne Sicht zum Ziel braucht.

Wie das Ganze auf anatomischer Ebene funktioniert – ob die beteiligten Neuronen von ihrer Bauart her speziell konstruiert sind oder eben „speziell verschaltet“ – bei solchen Fragen müssen die Forscher momentan noch passen. Als nächstes wollen Nachum Ulanovsky und seine Mitarbeiter komplexere Navigations-Szenarien an den Flughunden erforschen – was ist, wenn es mehrere Ziele gibt, was, wenn das Tier seine Entscheidung für ein Ziel revidiert? Auf jeden Fall ist sich das Team ziemlich sicher, dass auch andere Lebewesen die vektorbasierten Neuronen im Hippocampus haben und vektorbasiert navigieren.

Möglicherweise wäre das in Jahrmillionen der Evolution erprobte Konzept auch etwas für Roboter:

Es gibt schon eine Reihe von Roboterwissenschaftlern, die Algorithmen implementiert haben nach dem Vorbild von Orts- und Rasterzellen. Das ist interessant für autonome Fahrzeuge oder auch für Büro-Roboter. Bislang hat natürlich noch niemand die ziel-orientierten, vektorbasierten Neuronen umgesetzt, die haben wir ja jetzt gerade erst publiziert. Aber auf jeden Fall sind solche biologisch inspirierten Algorithmen grundsätzlich sehr vielversprechend.

Deutschlandfunk – Forschung aktuell vom 13.01.2017 (Moderation: Lennart Pyritz)

Gerade stand es in der neuen Ausgabe von „Science“: Zebrafinken haben offenbar von Geburt an ein neuronales Regelsystem, das ihnen dabei hilft, „gelungene“ von „schiefen“ Gesangs- bzw. Zwitscherstrophen zu unterscheiden. Ein Papagei kann problemlos Peinlichkeiten nach- oder ausplaudern oder die Feuerwehr bestellen, und selbst ein Seehund oder ein Beluga kann menschliche Sprache imitieren. Nur ausgerechnet Affen können uns Menschen nicht „nachäffen“, zumindest nicht vokal – und eine eigene Sprache mit Worten, Sätzen oder einer Grammatik haben sie im Verlauf der Evolution erst recht nicht entwickelt; trotz aller unbezweifelbarer Intelligenz.

Warum Wale, Elefanten oder Singvögel uns Menschen bei der spezifischen Fähigkeit zur vokalen Imitation, dem „call production learning“ näher sind, als unsere evolutionsbiologisch engsten Verwandten, darüber kann auch Prof. Tecumseh Fitch, Leiter der Abteilung Kognitionsbiologie an der Universität Wien, nur spekulieren. An grundsätzlichen und unüberwindbaren anatomischen Beschränkungen ihres Stimmapparates, ihres Vokaltraktes liegt es jedenfalls nicht – das ist das Ergebnis seiner in „Science Advances“ veröffentlichten Studie. Fitch und seine Kollegen knüpfen mit ihren neuen Experimenten an die paradigmatische Untersuchung von Philip Lieberman aus dem Jahr 1969 an.

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Dessen Ergebnisse seien aber erstens aufgrund schwächerer Eingangsdaten zustande gekommen – nämlich aufgrund einer Modellierung des Vokaltraktes eines toten Makaken – zweitens habe man anschließend Liebermans Schlussfolgerungen auch noch missverstanden oder fehlinterpretiert, so sieht es Tecumseh Fitch.  Sein Fazit: Makaken – und wahrscheinlich auch andere Primaten haben einen „sprechbereiten“ Stimmapparat – das Problem sind fehlende Steuerungs-Schaltkreise im Affengehirn. Völlig unumstritten sind die Schlussfolgerungen von Fitch und seinen Ko-Autoren noch nicht:

Die „New York Times“ zitiert die Sprachwissenschaftlerin Anna Barney von der Universität Southhampton – ihr zufolge blieben in Fitch’s Studie Fragen offen, etwa die, ob Makaken neben unterscheidbaren Vokalen auch die nötigen Konsonanten produzieren könnten. Da ist sich der Kognitionsbiologe allerdings recht sicher:

What we know for sure is that things like “pa, ba, ma, na”, all of those would be no problem as would “ha”; some version of “ka” and “ga” should be no problem. I think it would be extreme to say that monkeys could make all human consonants. But the point is they could easily make enough consonants to generate with this number of vowels to make thousands of words. I think the consonants have never been postulated to be to a large problem, a large limitation. The debate has always been about the vowels.

Und auch der mittlerweile emeritierte Philip Lieberman selbst meldet sich in der NYT und im „Christian Science Monitor“ noch einmal zu Wort – er ist nach wie vor der Meinung, dass bei der Evolution der menschlichen Sprache sowohl neuronale Veränderungen im Gehirn als auch anatomische im Vokaltrakt eine Rolle gespielt haben. Vielleicht klärt sich ja irgendwann durch genetische Eingriffe in das Erbgut von Affen, wer recht hat: Wenn durch einen wohl plazierten CRISPR-Schnipsel im Gehirn-Sprachkontrollzentrum Makaken oder Schimpansen plötzlich zu plaudern anfangen, war es Tecumseh Fitch. Wenn erst durch einen anderen Schnipsel der Kehlkopf anatomisch tiefer gelegt werden muss, war es Lieberman. 🙂

Sprachlose Primaten – Fehlende Kontrolle über Stimmtrakt

Deutschlandfunk – Forschung aktuell vom 12.12.2016 (Moderation: Arndt Reuning)