Stachelmäuse weisen den Weg zu neuen Erkenntnissen in der sozialen Neurowissenschaft

Wissenschaftler haben sich auf die Schaltkreise im Gehirn konzentriert, die den Wunsch von Stachelmäusen steuern, in großen Gruppen zu leben. Dies öffnet die Tür zu einem neuen Modell für die Untersuchung komplexer Sozialverhaltensweisen bei Säugetieren.

Das Journal Aktuelle Biologie hat veröffentlicht Die Arbeit wurde von Forschern der Emory University geleitet. Sie zeigt, dass neuronale Signale vom vorderen cingulären Kortex des Gehirns zum lateralen Septum die Vorliebe von Stachelmäusen (Acomys) steuern, sich großen Peergroups anzuschließen.

„Unseres Wissens ist dies die erste Studie, die neuronale Schaltkreise identifiziert, die Gruppengrößenpräferenzen bei einem Säugetier fördern“, sagt Aubrey Kelly, leitender Autor der Studie und außerordentlicher Professor für Psychologie an der Emory University. „Wir hoffen, dass unsere Arbeit den Weg für neue Erkenntnisse über komplexe soziale Verhaltensweisen bei einer Reihe von Säugetieren, einschließlich des Menschen, ebnet.“

Dem Kelly-Labor gelang der Durchbruch durch die Entwicklung von Methoden zur Verwendung von Stachelmäusen als Labormodell für die soziale Neurowissenschaft.

Anders als die in der Laborforschung üblicherweise verwendeten Ratten und Mäuse haben sich Stachelmäuse so entwickelt, dass sie in der freien Natur in großen, gemischtgeschlechtlichen Gruppen leben können. Sie lassen sogar Neuankömmlinge, die nicht mit ihnen verwandt sind, in ihre Gruppen aufnehmen.

„Eine Stachelmauskolonie ist nicht nur eine große Familie“, erklärt Kelly. „Sie ist eher wie eine kleine Gesellschaft.“

Brandon Fricker, Erstautor der Studie, arbeitete als Doktorand an der Emory University an der Forschung. Er schloss sein Studium im Mai ab und arbeitet jetzt als Postdoktorand an der Harvard University.

„Es war eine Herausforderung, aber auch ein Spaß, Experimente zu entwerfen und unsere Methoden für eine Spezies zu validieren, die in der sozialen Neurowissenschaft neu ist“, sagt Fricker. „Die Arbeit mit Stachelmäusen hat mir großen Spaß gemacht. Sie haben ein ganz anderes Temperament als die anderen Labornager, die ich bisher gesehen habe. Sie zeigen nicht annähernd so viel Angst oder Aggression gegenüber anderen oder sogar gegenüber Menschen.“

Obwohl das Leben in Gemeinschaften im gesamten Tierreich – von Ameisen über Vögel bis hin zum Menschen – weit verbreitet ist, mangelt es bislang an Methoden zur Untersuchung der neuronalen Mechanismen, die das Leben in Gruppen ermöglichen.

Eine große Einschränkung besteht darin, dass die in der Laborforschung häufig verwendeten Ratten- und Mäusearten in großen, gemischten Gruppen nicht gut miteinander auskommen. In freier Wildbahn lebt beispielsweise die klassische Laborratte Rattus norvegicus domestica hauptsächlich in Gruppen aus einem Männchen und mehreren Weibchen. Wenn Männchen zusammenkommen, neigen sie dazu, zu kämpfen.

Die Präriewühlmaus – ein kleines, mausähnliches Nagetier, das sich ein Leben lang mit einem Partner paart – hat sich in den letzten Jahrzehnten als hervorragendes Labormodell für die Neurowissenschaft der Paarbindung erwiesen. Obwohl sie für ihre lebenslangen Partner bekannt sind, leben wilde Präriewühlmäuse in kleinen Familiengruppen und sind Fremden gegenüber recht aggressiv.

Als Doktorand erforschte Kelly, die einen Doktortitel in Evolutionsbiologie besitzt, die neuronale Evolution des Schwarmverhaltens bei Vögeln anhand verschiedener Finkenarten, deren Lebensweise von einzelgängerisch bis sehr sozial reichte.

Sie wollte das Gruppenleben bei Säugetieren untersuchen, war aber ratlos, da ihr ein gutes Tiermodell fehlte.

„Wenn man verstehen will, wie das Gehirn funktioniert, muss man berücksichtigen, wie sich ein Tier in der realen Welt verhält“, sagt Kelly. „Man braucht das richtige Tier für seine spezielle Fragestellung.“

Auftritt der Stachelmaus.

Kelly hörte zum ersten Mal von diesen sonderbaren Nagetieren durch ein zufälliges Gespräch mit Ashley Seifert, einer Biologieprofessorin an der University of Kentucky und Co-Autorin der aktuellen Abhandlung.

Vor mehr als einem Jahrzehnt entdeckten Wissenschaftler, dass die Stachelmaus, die in trockenen Gegenden Afrikas, des Nahen Ostens und Südasiens lebt, über bemerkenswerte Wundheilungskräfte verfügt, darunter die Fähigkeit, große Gewebeschichten zu regenerieren. Wenn ein Raubtier eine Stachelmaus schnappt, reißt sie ihre Haut ab, und die Maus kann entkommen. Anschließend regeneriert sie ihre Haut, komplett mit steifen, stacheligen Haaren.

Studien haben außerdem gezeigt, dass die Stachelmaus einzigartige Anpassungsreaktionen im Zusammenhang mit Schäden an Herz, Nieren und Rückenmark zeigt.

Seifert gehört zu einer wachsenden Zahl von Wissenschaftlern, die die Stachelmaus als biomedizinisches Modell für die Regenerationsforschung verwenden. Stachelmäuse sind kürzlich auch als Modell für Studien zu Typ-2-Diabetes aufgetaucht. Und eine Handvoll Labore haben Arbeiten über das prosoziale Verhalten von Stachelmäusen und ihre Entwicklungsmerkmale veröffentlicht.

Als Seifert erfuhr, dass Kelly ein besseres Nagetiermodell für die soziale Neurowissenschaft suchte, schlug er Stachelmäuse vor.

„Ich fühlte mich mutig und beschloss, ein Programm für soziale Neurowissenschaften rund um sie aufzubauen“, sagt Kelly.

Fricker kam vor fünf Jahren als Doktorand nach Emory, kurz nachdem Kelly das Stachelmäuseprogramm ihres Labors gestartet hatte, und war von diesem neuen Ansatz fasziniert.

„Ich interessiere mich sehr für die Neurowissenschaft des Sozialverhaltens“, sagt er. „Wie reagieren Neuronen auf Reize anderer, denen wir ausgesetzt sind, und geben uns dann die Signale, wie wir reagieren sollen? Das ist sowohl für unser Überleben als auch für unser emotionales Wohlbefinden entscheidend. Wie am ersten Schultag, wenn der Druck, Freunde zu finden, sehr groß ist. Eine Situation in dieser Zeit falsch einzuschätzen, ist nicht ideal.“

Die Forscher untersuchten außerdem das Sozialverhalten von Stachelmäusen im Labor. Sie fanden heraus, dass Stachelmäuse ungeachtet der Vertrautheit schnell auf Artgenossen zugehen und dabei eine hohe soziale Kühnheit zeigen. Sie sind untereinander deutlich eher prosozial als aggressiv. Stachelmäuse zeigten auch eine starke Vorliebe dafür, sich in großen statt in kleinen Gruppen aufzuhalten.

Für die aktuelle Arbeit wollten sie die neuronalen Schaltkreise hinter dieser Präferenz für Großgruppen bestimmen.

In einem Experiment setzten die Forscher einige Stachelmäuse kleinen Gruppen ihrer Artgenossen aus, andere größeren Gruppen. Anschließend untersuchten sie die Gehirne der Versuchspersonen, um nach der Expression des Fos-Proteins zu suchen, einem Produkt, das bei der Aktivierung von Neuronen entsteht. Diese neurowissenschaftliche Technik zeigte, dass die Aktivität im lateralen Septum (LS) des Gehirns bei den Stachelmäusen, die sich in den größeren Gruppen aufhielten, höher war.

Es ist allgemein bekannt, dass das laterale Septum an einer Reihe von Funktionen beteiligt ist, darunter Aggression und andere soziale Verhaltensweisen. In früheren Untersuchungen hatte Kelly herausgefunden, dass diese Gehirnregion mit dem Schwarmverhalten von Zebrafinken in Zusammenhang steht.

„Eine Gehirnregion kann an so vielen verschiedenen Dingen beteiligt sein, von Aggression bis hin zum Schwarmverhalten, je nachdem, wie sie mit anderen Regionen interagiert“, sagt Kelly. „Da die Technologie voranschreitet, geht die Neurowissenschaft über die Betrachtung einzelner Gehirnregionen hinaus und untersucht nun die Verbindungen zwischen verschiedenen Regionen.“

Um die Schaltkreise zu identifizieren, die an der Präferenz für große Gruppen beteiligt sind, wiederholten die Forscher das vorherige Experiment, wobei sie den Versuchspersonen zusätzlich neuronale Tracer zuführten. Diese chemischen Sonden können kartieren, wo im Gehirn ein Signal entsteht und in welche Richtung es sich bewegt.

Die Ergebnisse zeigten ein stärkeres Signal vom anterioren cingulären Kortex (ACC) zum LS bei den Stachelmäusen, die größeren – im Gegensatz zu kleineren – Gruppen ihrer Artgenossen ausgesetzt waren. Frühere Arbeiten haben den ACC mit Trösten und anderen sozialen Verhaltensweisen bei Präriewühlmäusen in Verbindung gebracht. Beim Menschen ist der ACC an Aufmerksamkeit, Entscheidungsfindung und Emotionen beteiligt.

Anschließend führten die Forscher Experimente mit chemogenetischen Werkzeugen durch, die es ihnen ermöglichten, den ACC-zu-LS-Schaltkreis vorübergehend abzuschalten. Die Ergebnisse zeigten, dass weibliche Stachelmäuse, wenn dieser Schaltkreis ausgeschaltet war, keine Präferenz zeigten, wenn sie die Wahl hatten, mit einer kleineren oder einer größeren Gruppe zusammen zu sein. Die Männchen jedoch kehrten ihre Präferenzen um und entschieden sich, mehr Zeit mit einer kleineren Gruppe zu verbringen.

„Ich war überrascht, wie stark sich das Verhalten veränderte, als ich diesen Schaltkreis abschaltete“, sagt Fricker. „Das zeigt, dass der ACC-LS-Schaltkreis großen Einfluss auf die Gruppengrößenpräferenz hat.“

Co-Autorin Malvika Murugan, Assistenzprofessorin im Fachbereich Biologie der Emory University und Expertin für virale chemogenetische Techniken in der Neurowissenschaft, half bei der Fehlersuche bei der Validierung der Methoden an den Stachelmäusen.

Die Forscher verwendeten die unbelebten Objekte der Gummienten, um zu testen, ob der ACC-LS-Schaltkreis speziell soziale Vorlieben oder einfach nur Vorlieben für eine große Gruppe von Objekten fördert. Während Stachelmäuse lieber eine größere als eine kleine Gruppe von Gummienten untersuchen, hatte die Manipulation dieses Gehirnschaltkreises keinen Einfluss auf die Vorlieben der Gummienten.

„Das hat deutlich gemacht, dass der neuronale Schaltkreis, den wir identifiziert haben, eher die Präferenzen für die Größe sozialer Gruppen modulierte und nicht etwas Allgemeineres“, sagt Fricker.

Die Forscher haben nun die Grundlage dafür geschaffen, tiefer in die Neurowissenschaft des Gruppierungsverhaltens von Säugetieren einzutauchen und dabei Stachelmäuse als Modell verwenden.

„Von hier aus werden wir noch mehr verhaltensbezogene Datensätze sammeln, indem wir die Stachelmäuse in großen Gruppen frei miteinander interagieren lassen und die Aktivität in ihren Gehirnen analysieren“, sagt Kelly. „Das wird uns ein besseres Bild davon geben, wie neuronale Aktivität auf komplexes, dynamisches, soziales Verhalten übertragen wird.“

Sie möchte unter anderem den Fragen nachgehen, welche Faktoren ein kooperatives Leben in Gruppen fördern und welche Umweltfaktoren zu Gruppenauflösung und egoistischem Verhalten führen.

„Die Erforschung der Evolution des sozialen Gehirns kann Erkenntnisse darüber liefern, wie unser eigenes Gehirn das Zusammenleben in Gruppen fördert“, sagt Kelly. „Welche Gehirnschaltkreise sind daran beteiligt, einen Neuankömmling willkommen zu heißen oder zu kooperieren und Nahrung zu teilen, wenn die Ressourcen erschöpft sind?“

Auf Fragen wie diese kann die sympathische Stachelmaus Antworten liefern.