Untersuchen, wie Fledermäuse verschiedene Geräusche unterscheiden

Die Seba-Kurzschwanzfledermaus (Carollia perspicillata) lebt in den subtropischen und tropischen Wäldern Mittel- und Südamerikas, wo sie sich hauptsächlich von Pfefferfrüchten ernährt. Die Tiere verbringen ihre Tage in Gruppen von 10 bis 100 Individuen in Hohlstämmen und Felshöhlen und gehen nachts gemeinsam auf Futtersuche. Sie kommunizieren mit Geräuschen, die in der Kolonie deutliche Umgebungsgeräusche erzeugen – wie das Stimmengewirr auf einer lebhaften Party.

Gleichzeitig nutzen die Fledermäuse auch Lautäußerungen, um in ihrer Umgebung zu navigieren, ein Phänomen, das als Echoortung bekannt ist und bei dem sie Ultraschalltöne aussenden, die von festen Oberflächen reflektiert werden. Die Tiere fügen diese Echos dann zu einem „Bild“ ihrer Umgebung zusammen.

Doch wie schafft es Sebas Kurzschwanzfledermaus, wichtige Geräusche aus dem ständigen Umgebungslärm herauszufiltern? Eine häufige Erklärung ist, dass das Gehirn ständig das nächste Signal vorhersagt und auf ein unerwartetes Signal stärker reagiert als auf ein erwartetes.

Dies wird als Abweichungserkennung bezeichnet und Neurowissenschaftler um Johannes Wetekam und Professor Manfred Kössl von der Arbeitsgruppe Neurobiologie und Biosensoren am Institut für Zellbiologie und Neurowissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt erforschen die Mechanismen.

Gemeinsam mit Kollegen konnten sie bereits 2021 zeigen, dass die Signalverarbeitung nicht in hochrangigen Regionen des Gehirns beginnt, sondern bereits im Hirnstamm, der für die Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Atmung und Herzfrequenz verantwortlich ist. Allerdings wurden in diesen Studien nur künstliche Reize verwendet, die für die Tiere keine Bedeutung hatten.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie wiederholte das Team um Wetekam und Kössl die Experimente mit natürlicher Kommunikation und Echoortungsrufen. „Mit unserer Studie wollten wir herausfinden, was bei der Abweichungserkennung passiert, wenn der Kurzschwanzfledermaus statt bedeutungsloser Reize solche präsentiert werden, die tatsächlich in ihrer Hörwelt vorkommen“, sagt Wetekam.

Dazu wurden zwei Elektroden, so dick wie ein menschliches Haar, unter die Kopfhaut der Fledermäuse eingeführt, um ihre Gehirnströme aufzuzeichnen. Obwohl dies für die Tiere schmerzlos war, wurden die Messungen unter Vollnarkose durchgeführt, da jede Bewegung die Ergebnisse verfälschen könnte.

Das Gehirn der Fledermaus reagiert auf Geräusche, selbst wenn das Tier betäubt ist und tief schläft. Anschließend wurden den Tieren entweder Echoortungs- oder Kommunikationsrufe vorgespielt, jeweils mit einem anderen Ton durchsetzt, mit einer Wahrscheinlichkeit von 10 %, dass dieser Ton auftrat.

Aus den gemessenen Gehirnströmen konnte dann abgelesen werden, dass der Hirnstamm Echoortung und Kommunikationsrufe unterschiedlich verarbeitet. Während seltene Echoortungsgeräusche tatsächlich stärkere Signale hervorriefen als häufige – also eine Abweichungserkennung zeigten –, hatte die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens bei Kommunikationsgeräuschen keinen Einfluss auf die Stärke der Reaktion.

„Vermutlich müssen Fledermäuse bei der Echoortung schneller reagieren als bei der Kommunikation mit Artgenossen“, vermutet Manfred Kössl. „Der Hirnstamm ist die erste Station im Gehirn, die die akustischen Signale empfängt, daher könnte es notwendig sein, dort zunächst die Wahrscheinlichkeit von Echoortungsrufen und insbesondere deren Echos zu berechnen, damit das Tier Hindernissen rechtzeitig ausweichen kann.“ Die stärkere Reaktion auf weniger häufige Anrufe ist vermutlich auf eine bessere neuronale Synchronisation zurückzuführen.

Die Studie zeigte auch, dass der Hirnstamm neben Tonhöhenunterschieden auch andere Merkmale von Fledermausrufen zur Erkennung von Abweichungen nutzen kann, wie zum Beispiel schnelle Änderungen in der Frequenz oder Lautstärke. „Das ist erstaunlich, da es sich beim Hirnstamm um einen eher primitiven Teil des Gehirns handelt, von dem Wissenschaftler bisher nicht glaubten, dass er wesentlich an der Signalverarbeitung beteiligt sein könnte“, sagt Wetekam. „Sie sahen seine Rolle eher darin, Signale vom Hörnerv zu empfangen und sie an höher gelegene Regionen des Gehirns weiterzuleiten.“

Diese Erkenntnisse könnten auch im Hinblick auf medizinische Anwendungen beim Menschen von Bedeutung sein. Beispielsweise sollten bei der Untersuchung von Erkrankungen wie ADHS oder Schizophrenie, die mit einer gestörten Verarbeitung von Fremdreizen einhergehen, auch die unteren Hirnregionen einbezogen werden. Die Tatsache, dass der Hirnstamm der Fledermäuse verschiedene komplexe akustische Signale unterschiedlich verarbeitet, kann Wissenschaftlern auch dabei helfen, zu verstehen, wie das Gehirn komplexe menschliche Sprache entschlüsselt und verarbeitet.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht In Das Journal of Neuroscience.