Zebrafinken können so gut singen, dass sie es im Schlaf schaffen. Und laut Wissenschaftlern tun sie alles andere als: Während sie schlummern, feuern Zebrafinken Gehirnregionen an und vibrieren ihre Stimmbänder auf eine Art und Weise, die ein waches Brummen imitiert.
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In den letzten zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler festgestellt, dass der Schlaf ein entscheidender Bestandteil des Repertoires zum Erlernen von Zebrafinken-Liedern ist. Die Finken werden nicht mit Gürtelarien geboren; stattdessen lernen sie ihre Lieder in der Jugend, üben und basteln unter der Aufsicht eines erwachsenen Lehrers. Der Tutor wird geduldig um seine Schülerinnen und Schüler werben, die dann ihre eigenen vorläufigen Äußerungen machen. Das Hören eigener Stimmen scheint ein entscheidendes Element für kleine Zebrafinken zu sein, wenn sie die Noten und Silben selbst testen.
Übung macht sicherlich den Meister - aber noch entscheidender? Gute Nachtruhe.
Nach einem anstrengenden Schultag geht jeder Zebrafink mit Musik im Kopf ins Bett - so sehr, dass sein Gehirn in denselben Mustern flimmert, die während der täglichen Übungsstunden auftreten. Auch die Stimmbänder vibrieren, produzieren aber keinen Ton: Die Vögel drücken nicht genug Luft durch ihre Kehlen, um hörbare Geräusche zu erzeugen.
Die Forscher vermuten, dass die Vögel tatsächlich von Liedern träumen - mehr Schlaf-Lippensynchronisation als Schlaf-Gesang. Dies hat möglicherweise viel mit der Kristallisation und Umformung von Material zu tun, das von ihren Lehrern gelernt wurde - ein Phänomen, das vergleichbar ist mit dem Einschlafen von Menschen, die Erinnerungen und Informationen in Langzeitspeicher verpacken. Am Morgen erwachen die Finken benommen und desorientiert und plappern etwas weniger kohärent als am Vortag - aber im Laufe der Zeit verbessern sich ihre Lieder.
Wissenschaftler glauben, dass das Studium, wie die Vögel den Schlaf nutzen, um ihre Lieder zu lernen, uns helfen kann, den mysteriösen Prozess des Erwerbs der menschlichen Sprache zu verstehen. Wie die menschliche Sprache sind die Melodien von Vogelgezwitscher kompliziert und komplex und aktivieren sogar Gehirnbahnen und -muskeln, die denen des Menschen sehr ähnlich sind.
"Ich hatte diesen verrückten Traum letzte Nacht, aber ich habe vergessen, ihn aufzuschreiben." (Flickr / Cathy) Aber die Traumlandschaft eines schlummernden Zebrafinkes zu studieren ist keine leichte Aufgabe: Es ist nicht so, als könnten wir die Vögel wach stupsen und fragen. Um das Innenleben dieser schläfrigen Vogelhirne besser zu verstehen, beschloss die Forschungsgruppe von Gabriel Mindlin an der Universität von Buenos Aires, einen Schritt weiter in der Kette der musikalischen Befehle zu gehen. Gehirne kontrollieren das Verhalten, aber es gibt einen muskulösen Mittelsmann zwischen den beiden. Um das Muster im Gehirn in eine ausgewachsene Serenade umzuwandeln, muss das Stimmorgan eines Vogels zuerst die Marschbefehle ausführen. Mindlin, ein Professor für Biophysik, der die Mechanik des Vogelgesangs studiert, hat zusammen mit seinen Kollegen ein System entwickelt, mit dem die Aktivität der beteiligten Muskeln direkt gemessen werden kann.
In früheren Arbeiten stellte sein Forscherteam in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität von Utah fest, dass Zebrafinken ihre Stimmmuskeln synchron mit der liedartigen Aktivität im Gehirn bewegen, was darauf hindeutet, dass das Auslesen der Muskeln ein guter Indikator für das Spähen sein könnte in die melodischen Träumereien der Vögel.
„Anstatt nur eine Gehirnzelle gleichzeitig zu betrachten, können wir die Ergebnisse des gesamten Systems sehen, und das ist sehr aufregend“, sagt Daniel Margoliash, Professor für Neurobiologie an der Universität von Chicago, der seit mehr als einem Jahr Vogelgesang studiert hat drei Jahrzehnte. Margoliash hat zuvor mit Mindlins Gruppe zusammengearbeitet, war aber nicht an diesen Studien beteiligt.
Die Studie fand auch heraus, dass Schlaf nicht nur eine Zeit zum Proben war - es könnte den Vögeln auch die Möglichkeit geben, leise neue Melodien zu improvisieren. Die Stimmmuskeln der Vögel scheinen sich nachts leicht auf dem Fritz zu bewegen und komponieren leise Lieder, die sich nicht an die Skripte des Tages halten. Diese neue Forschung war in der Lage, Variationen zu erfassen, die frühere Studien des Gehirns nicht konnten, und legt nahe, dass sich der musikalische Verstand schlängelt, wenn Zebrafinken einnicken.
Für Mindlin war das riesig. "Jetzt haben wir ein Modell, das das Gehirn nicht braucht", sagt er.
Letzte Woche hat Mindlins Gruppe in zwei neuen Studien ihre Forschung erweitert. Beide Studien konzentrieren sich auf die Art und Weise, wie Wissenschaftler die Stimmmuskeln der Finken untersuchen, in der Hoffnung, weitere Geheimnisse des schlummernden Vogelhirns zu entdecken.
Zunächst wollten Wissenschaftler unter der Leitung von Juan Doppler, einem unter der Aufsicht von Mindlin arbeitenden Physiker, das Studium der Vogelmuskulatur erleichtern. Die Konzentration auf die Muskeln ist möglicherweise eine direktere Methode, um die Mechanismen der Serenaden des Schlafens einzufangen - aber es ist immer noch nicht einfach. Erwachsene Zebrafinken müssen operiert werden, damit Wissenschaftler Elektroden an mehreren Muskeln anbringen können.
Während diese Muskeln verstanden werden, um einzelne Aspekte der Songproduktion direkt zu steuern - zum Beispiel die Tonhöhe des produzierten Sounds -, müssen sie auch zusammenarbeiten. Einige sind physisch miteinander verbunden, einschließlich eines besonders wichtigen Muskels namens syringealis ventralis, von dem bekannt ist, dass er die Frequenz eines Liedes steuert.
Das Team stellte fest, dass die Messung der Aktivität der Syringealis ventralis allein die Dynamik von Vogelgezwitscher-Balladen fast so genau erfassen kann wie die alte Technik der Messung mehrerer Muskeln. Wie erwartet enthielt die Muskelaktivität Informationen zur Frequenz, konnte aber auch vorhersagen, wann Musikmotive mit über 70 Prozent Genauigkeit gestartet und gestoppt wurden.
„Wir konzentrieren uns nicht mehr nur auf Gehirn und Neuronen, sondern auch auf die Biomechanik, in der die Informationen des Nervensystems verarbeitet werden“, sagt Doppler. „Dies ist eine überzeugende Idee. In einigen Fällen kann ein Blick auf die Biomechanik zu Einsichten führen, die im Nervensystem nicht so eindeutig sind. “
Mit dem einfacheren System von Doppler, das in der Zeitschrift Chaos beschrieben ist, können die Forscher die Traumlieder der Vögel leichter studieren. Darüber hinaus kann das Verständnis der Mechanik dieses starken Muskels auch Aufschluss darüber geben, wie das Stimmsystem als funktionale Einheit funktioniert.
"Die Merkmale des Muskels bluten wirklich durch", sagt Katherine Tschida, eine Neurobiologin an der Duke University, die das Lernen von Liedern bei Zebrafinken studiert hat. "Man kann von einem einzelnen Muskel eine Anzeige über viele verschiedene Merkmale erhalten, obwohl der Muskel nicht in erster Linie der funktionale Treiber des Systems ist.", Lobte Tschida, die nicht an der Arbeit beteiligt war Studie für seine "hohe Qualität" Methodik.
Diese Grafik zeigt die Aktivierung der syringealen Muskeln in einem Finch während des Singens (oben) und in der Nacht (grau, unten). (Young et al., In PeerJ (2017)) In der zweiten Studie fand ein Team um Alan Bush, ebenfalls Physiker in Mindlins Gruppe, heraus, dass sie die Vögel dazu bringen konnten, ihre Stimmmuskeln zu spielen, indem sie Versionen ihrer eigenen Lieder spielten, während sie schliefen - eine Form der harmonischen Hypnose. Bush war bestrebt, die Muster zu untersuchen, wie Muskeln tatsächlich im Schlaf feuerten. Für ihn ist das Vokalorgan nicht nur eine Marionette, die die Meisteranweisungen des Gehirns ausführt, sondern vielmehr eine kreative Verbindung zwischen Gehirn und Verhalten, die dem Endprodukt seine eigenen Glocken und Trillerpfeifen verleiht. „Ein Großteil der Komplexität des Systems kommt tatsächlich von der Peripherie, wo sich die Muskeln befinden“, erklärt er.
Bush und seine Kollegen stellten fest, dass sich die Muskeln, wenn sie zu Aktivität angeregt werden, alles oder nichts verhalten. Wenn Schnipsel von sich selbst gespielt wurden, die Melodien vertonten, zuckten die Muskeln der Vögel zuverlässig. Sogar synthetische Versionen dieser Songs, die im Labor neu gemischt wurden, konnten manchmal Stimmorganreaktionen hervorrufen. Oft waren die Muskeln noch - aber wenn sie zum Biegen getrieben wurden, führten sie die vollständige Schusssequenz einer Vokalisation aus.
Die Wissenschaftler sagen, dass dieses Wissen neue Wege eröffnet, um zu untersuchen, wie die musikalische Muskulatur in die Tat umgesetzt wird.
Aufgrund der Invasivität der Operation konnten Mindlin und sein Team nur die Muskelreaktionen erwachsener Zebrafinken testen. Zukünftige Experimente mit fortschrittlicheren Technologien können jedoch Aufschluss über die Traumzustände junger Vögel geben. Solche Ergebnisse könnten frühere Forschungen darüber untermauern, wie jugendliche Zebrafinken mit den Lehren ihres Tutors spielen und ihre eigenen persönlichen Berührungen während des Schlafs hinzufügen. Welchem Zweck könnte dies aber bei Erwachsenen dienen, die ihre Melodien bereits gemeistert haben?
Margoliash meint, es gehe darum, Fachwissen zu bewahren. „Wenn Sie ein sehr hohes Maß an Präzision erreichen möchten, müssen Sie arbeiten, um dorthin zu gelangen, und üben, um dort zu bleiben“, erklärt er. "Zebrafinken - und Menschen - müssen üben, um die von uns erreichte Leistungsqualität aufrechtzuerhalten."
Mit den kombinierten Kräften der Neurowissenschaften und der Biophysik könnten Wissenschaftler eines Tages tatsächlich in der Lage sein, tiefer in die Schlummerlieder einzutauchen. Die Technologie hat diese Aufgabe noch nicht ganz erfüllt - sie wird jedoch mit jedem Tag leistungsfähiger. Bis dann? Träum weiter.
