Neurowissenschaftler der University of Massachusetts Amherst haben in einer neuen Forschung gezeigt, dass Dopamin eine Schlüsselrolle dabei spielt, wie Singvögel komplexe neue Geräusche lernen.
Veröffentlicht im Zeitschrift für Neurowissenschaften, legt die Erkenntnis, dass Dopamin die Plastizität im Hörpallium von Zebrafinken fördert, neue Grundlagen für das Verständnis der Funktionen dieses Neurotransmitters in einem Bereich des Gehirns, der komplexe Reize kodiert.
“Die Leute verbinden Dopamin mit Belohnung und Freude”, sagt Hauptautor Matheus Macedo-Lima, der die Forschung im Labor von Seniorautor Luke Remage-Healey als Ph.D. Student im Graduiertenprogramm Neuroscience and Behavior von UMass Amherst. „Es ist ein sehr bekanntes Konzept, dass Dopamin am Lernen beteiligt ist. Aber das Wissen über Dopamin in Bereichen, die mit der sensorischen Verarbeitung im Gehirn zusammenhängen, ist begrenzt. Wir wollten verstehen, ob Dopamin eine Rolle dabei spielt, wie diese Gehirnregion neue Geräusche lernt.“ oder ändert sich mit Tönen.”
Die Untersuchung des stimmlichen Lernens bei Singvögeln bietet Einblicke in das Erlernen von gesprochener Sprache, fügt der Verhaltensneurowissenschaftler Remage-Healey, Professor für Psychologie und Hirnwissenschaften, hinzu. “Nicht nur der Singvogel kommt auf diese Strategie, mit Dopamin Klänge und Bedeutungen zu binden. Hier gibt es etwas Paralleles, das uns – als Menschen – interessiert.”
Das Forschungsteam führte eine Reihe von Experimenten in vitro und in vivo durch, bei denen Neuronen unter dem Mikroskop und in den Gehirnen von lebenden Vögeln, die Videos ansahen und Geräusche hörten, gestochen wurden. Letztendlich erhielten die Wissenschaftler anatomische, verhaltensbezogene und physiologische Beweise, um ihre Hypothese über die Rolle von Dopamin zu stützen.
Mithilfe von Antikörpern zeigten die Forscher, dass Dopaminrezeptoren in vielen Arten von Neuronen im Hörgehirn von Singvögeln vorhanden sind – sie können hemmend oder erregend sein und können auch ein Enzym enthalten, das Östrogene produziert. „Dr. Remage-Healeys Forschungen haben gezeigt, dass im Hörgehirn von Singvögeln beiderlei Geschlechts Neuronen in sozialen Situationen Östrogen produzieren, etwa wenn man Vogelgezwitscher hört oder einen anderen Vogel sieht Lernprozess, aber diese Arbeit konzentrierte sich auf Dopamin, weil wir noch so viel nicht wussten, wie Dopamin das Gehirn von Singvögeln beeinflusste”, erklärt Macedo-Lima, jetzt Postdoc an der University of Maryland.
Macedo-Lima entwickelte einen Test, ähnlich dem bekannten Hundeexperiment von Pavlov, bei dem die Vögel allein in einer Kammer saßen und ein zufälliges Geräusch gefolgt von einem stummen Video von anderen Vögeln präsentiert wurde. „Wir wollten uns auf die Verbindung zwischen einem bedeutungslosen Ton – einem Ton – und dem verhaltensrelevanten Ding konzentrieren, das ein weiterer Vogel auf Video ist“, sagt er.
Die Forscher untersuchten die auditiven Gehirnregionen der Vögel nach dieser Ton-Video-Paarung und verwendeten einen Genmarker, von dem bekannt ist, dass er exprimiert wird, wenn ein Neuron eine Veränderung oder Plastizität durchmacht. “Wir fanden diese sehr interessante Zunahme dieser Genexpression in der linken Hemisphäre, dem ventralen Teil der Hörregion, in Dopaminrezeptor-exprimierenden Neuronen, was den Lernprozess widerspiegelt und parallel zur Lateralisierung des menschlichen Gehirns für das Sprachlernen ist”, sagt Macedo-Limama .
Um die Wirkung von Dopamin auf die grundlegende Signalübertragung von Neuronen zu zeigen, verwendeten die Forscher eine Ganzzellen-Patch-Clamp-Technik, bei der die von den Neuronen empfangenen Ströme kontrolliert und gemessen wurden. Sie fanden in einer Schale heraus, dass die Dopamin-Aktivierung die Hemmung verringert und die Erregung erhöht.
„Dieser eine Modulator stimmt das System so ab, dass die Stoppsignale heruntergefahren und die Startsignale hochgefahren werden“, erklärt Remage-Healey. “Das ist ein einfacher, aber leistungsstarker Kontrollmechanismus dafür, wie Tiere potenziell Geräusche codieren. Es ist ein neurochemischer Hebel, der die Art und Weise verändern kann, wie Reize in diesem Teil des Gehirns registriert und weitergegeben werden.”
Das Team untersuchte dann schmerzlos die Gehirnzellen von lebenden Vögeln. “Was geschah, als wir Dopamin verabreichten, war genau so, wie wir es anhand der gesamten Zelldaten vorhergesagt hatten”, sagt Macedo-Lima. “Wir haben gesehen, dass hemmende Neuronen weniger feuerten, als wir den Dopaminagonisten verabreichten, während die exzitatorischen Neuronen mehr feuerten.”
Der gleiche Effekt trat auf, wenn den Vögeln Vogelgesang von anderen Singvögeln vorgespielt wurde – die erregenden Neuronen reagierten mehr und die hemmenden Neuronen weniger, wenn die Dopamin-Aktivierung auftrat. “Wir waren glücklich, das, was wir in einer Schüssel sahen, in einem lebenden Tier nachzubilden, das auf relevante Geräusche lauschte”, sagt Macedo-Lima.
Die Dopaminaktivierung machte diese Neuronen auch unfähig, sich an neue Lieder anzupassen, die dem Tier präsentiert wurden, was die Hypothese der Rolle von Dopamin beim sensorischen Lernen stark bestätigt. “Wir wissen derzeit nicht, wie Dopamin das sensorische Lernen bei den meisten Tieren beeinflusst”, sagt Macedo-Lima, “aber diese Forschung gibt viele Hinweise darauf, wie dieser Mechanismus bei Wirbeltieren funktionieren könnte, die komplexe Geräusche lernen müssen, wie zum Beispiel beim Menschen.”
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