Ähnliche genetische Elemente liegen dem Stimmlernen bei Säugetieren zugrunde

Die Lautäußerungen von Menschen, Fledermäusen, Walen, Robben und Singvögeln unterscheiden sich erheblich voneinander. Zwischen Menschen und Vögeln liegen beispielsweise etwa 300 Millionen Jahre Evolution. Aber Wissenschaftler, die untersuchen, wie diese Tiere „sprechen“ lernen, haben immer wieder überraschende Ähnlichkeiten in den Verbindungen in Gehirnregionen festgestellt, die dieses stimmliche Lernen unterstützen.

In einem Papier veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftein multiinstitutionelles Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Carnegie Mellon University und der University of California, Berkeley, hat Teile des Genoms gefunden, sowohl innerhalb als auch außerhalb von Genen, die sich entwickelt haben und mit dem Stimmlernen bei Säugetieren in Zusammenhang stehen.

Mithilfe eines maschinellen Lernansatzes namens Tissue-Aware Conservation Inference Toolkit (TACIT) auf dem Bridges-2-System des Pittsburgh Supercomputing Center identifizierte das Labor von Andreas Pfenning 50 Genregulationselemente aus den Gehirnen von Menschen, Fledermäusen, Walen und Robben, die über eine stärkere Funktion verfügen Beziehung zur Lautäußerung. Bei diesen regulatorischen Elementen handelt es sich um DNA-Sequenzen außerhalb der eigentlichen Gene, die steuern, welche Gene in welchen Geweben aktiv sind.

Wissenschaftler haben erkannt, dass regulatorische Elemente eine große Rolle bei der Entwicklung von Verhaltensweisen spielen. Aber ihre Untersuchung war viel schwieriger als die Untersuchung der Gene.

„Es waren neue Methoden der künstlichen Intelligenz erforderlich, um evolutionäre Signale in regulatorischen Elementen in Hunderten von Genomen zu finden“, sagte Pfenning, korrespondierender Autor der neuen Studie und außerordentlicher Professor in der Ray and Stephanie Lane Computational Biology Department der CMU, die dem Neuroscience Institute angegliedert ist Abteilung für Biowissenschaften. „Wir treten in eine aufregende Ära ein, in der KI unsere Fähigkeit verbessert, die Evolutionsgeschichte des Menschen zu verfolgen. Um die Genregulationselemente zu untersuchen, muss eine Karte erstellt werden, die zeigt, welche Elemente in der relevanten Gehirnregion von Arten mit stimmlichem Lernverhalten aktiv sind.“

Diese relevante Gehirnregion wurde durch Experimente gefunden, die im Labor von Michael Yartsev von der UC Berkeley, einem weiteren korrespondierenden Autor, durchgeführt wurden. Sie fanden Hinweise darauf, dass ein bestimmter Teil des Gehirns der Ägyptischen Flughunde über ähnliche neuronale Verbindungen verfügt wie der Teil des menschlichen Gehirns, der die Sprachproduktion steuert.

„Nur sehr wenige Säugetiere sind tatsächlich in der Lage, die Geräusche zu lernen, die sie machen, was es sehr schwierig macht, diesen Kernaspekt der Menschheit zu untersuchen“, sagte Yartsev, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen und Neurowissenschaften an der UC Berkeley. „Wir konnten Parallelen zwischen Fledermäusen und Menschen in den Strukturelementen des Gehirns, dem genetischen Inhalt und sogar den neuronalen Schaltkreisen identifizieren, die das Stimmlernen steuern.“

Sowohl Gene, die mit dem Stimmlernen in Zusammenhang stehen, als auch die in dieser Studie entdeckten genregulatorischen Elemente befinden sich tendenziell auch in Teilen des Genoms, die mit der Autismus-Spektrum-Störung in Zusammenhang stehen. Dieses Ergebnis legt nahe, dass die Untersuchung der Evolutionsgeschichte des menschlichen Genoms Hinweise darauf geben kann, wie es die menschliche Gesundheit beeinflusst.

„Die Zelltypen, die im Gehirn von Menschen und Fledermäusen weitreichende Verbindungen bilden, sind dieselben, die wir anhand der genetischen Analyse als am relevantesten für das Stimmlernen entdeckt haben“, sagte Pfenning. „Die Anatomie und die Genetik weisen beide auf denselben Mechanismus hin, der der Entwicklung des Stimmlernens bei Säugetieren und der Sprachproduktion beim Menschen zugrunde liegt.“