Wissenschaftler identifizieren Gehirnschaltkreise, die mit dem Verhalten von Schwarmfischen zusammenhängen

Ein Schwarm wandernder Gänse gleitet in einer unverkennbaren V-Formation durch den Sommerhimmel, eine donnernde Bisonherde poltert in gewaltiger Gruppe über die Ebenen und ein riesiger Sardinenschwarm schwimmt faszinierend im Gleichklang.

Ökologen und Tierverhaltensforscher haben jahrzehntelang derartiges Gruppenverhalten bei einer Vielzahl von Tierarten untersucht. Wissenschaftler der University of California in San Diego untersuchen nun die Wurzeln dieses Verhaltens aus der Perspektive des Gehirns. Wie entwickeln Tiergruppen koordinierte Bewegungen? Wie können so viele einzelne Gehirne Informationen austauschen, um ein einziges, kohärentes Verhalten hervorzubringen?

Veröffentlicht im Journal Aktuelle BiologieDie Postdoktoranden David Zada ​​und Lisanne Schulze im Labor von Assistenzprofessor Matthew Lovett-Barron an der School of Biological Sciences untersuchten Schwärme winziger durchsichtiger Glasfische (Danionella cerebrum), um faszinierende Antworten auf diese Fragen zu finden.

„Kollektives Sozialverhalten wie Fischschwärme und Vogelschwärme sind bemerkenswerte Beispiele für die Komplexität des Verhaltens in der Natur, aber es ist wenig darüber bekannt, wie dieses Verhalten aus den interagierenden Gehirnen vieler Individuen entsteht“, sagte Lovett-Barron, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Neurobiologie. „Wir wissen überhaupt nicht viel darüber, wie neuronale Prozesse bei einzelnen Tieren kooperatives Verhalten erzeugen.“

Zu ihren neuen Erkenntnissen gehört, dass Glasfische sich beim Schwimmen in Gruppen auf ihren Sehsinn verlassen. Während einige Fischarten dafür bekannt sind, ihren Sinn für die Wasserströmung zu nutzen, um gemeinsam zu schwimmen, nutzen Glasfische ausschließlich ihr Sehvermögen, wie die Forscher durch eine Reihe von Experimenten herausfanden.

Mithilfe von Werkzeugen des maschinellen Lernens verfolgten sie die Bewegungen von Fischen unterschiedlichen Alters und entdeckten außerdem, dass sich die Fähigkeit, koordinierten Gruppenbewegungen zu folgen, mit zunehmendem Alter der einzelnen Fische entwickelt.

So wie Neugeborene im Laufe ihres Wachstums komplexe soziale Fähigkeiten entwickeln, verfeinern Glasfische mit zunehmendem Alter ihre Fähigkeit, sich in koordinierten sozialen Gruppen zu bewegen. Fische, die in normalen sozialen Umgebungen aufwachsen, meiden andere Fische im Alter von zwei Wochen, entwickeln nach vier Wochen die Fähigkeit, sich mit anderen zu verbünden, und erreichen nach sechs Wochen schließlich die volle soziale Bindung in Schwärmen.

Da Glasfische sehr transparent sind, konnten die Forscher mithilfe optischer Mikroskope Bilder ihrer Gehirnaktivität aufnehmen. Sie zeichneten Tausende von Neuronen im Gehirn von Glasfischen auf, die in eine virtuelle Panoramaumgebung eingetaucht waren, in der die Fische sich bewegende fischähnliche Formen betrachteten, die die Erfahrung eines Schwarms nachahmen.

Die Forscher identifizierten aktive Schaltkreise, indem sie Bilder von GCaMP, einem fluoreszierenden Protein, in Neuronen aufzeichneten. GCaMP leuchtet heller in Gegenwart von Kalzium, das in die Zellen gelangt, wenn Neuronen aktiv sind. Diese Aktivitätsaufzeichnungen zeigten, dass Glasfischgehirne auf den Anblick ihrer sozialen Partner reagieren und dass Reife für das soziale Sehen wichtig ist.

Während Glasfische jeden Alters die Bewegung virtueller Sozialpartner wahrnehmen konnten, konnten nur ältere Fische zwischen der Bewegung fischähnlicher und nicht fischähnlicher Formen unterscheiden. Die Forscher glauben, dass die Entwicklung dieser visuellen Fähigkeit es Glasfischen ermöglicht, ihren Körper an den ihrer Sozialpartner auszurichten, um richtig in Schwärmen zu schwimmen.

Um diese Idee weiter zu vertiefen, untersuchten die Forscher isoliert aufgezogene Fische. Diese Fische zeigten im Vergleich zu ihren in Gruppen aufgezogenen Artgenossen ein stark beeinträchtigtes Schwarmverhalten und eine unzureichende visuelle Verarbeitung sozialer Reize.

„In der Natur sehen wir, dass große Tiergruppen sich als geschlossene Einheit bewegen können, und unser Labor arbeitet daran, zu verstehen, wie das Gehirn einzelner Tiere auf die Handlungen ihrer sozialen Partner achten kann, um dieses Verhalten auf Gruppenebene hervorzubringen“, sagte Lovett-Barron. „In dieser Studie haben wir festgestellt, dass diese sozialen Fähigkeiten im Laufe der Entwicklung schrittweise entstehen, wenn das Nervensystem reift.“

Glasfische, die als ausgewachsene Tiere nur 10–12 Millimeter lang sind (etwa so breit wie ein Bleistift), sind erst seit kurzem als Modell für biologische Studien bekannt. Der eng verwandte Zebrafisch wird umfassend untersucht, verliert jedoch mit zunehmendem Alter seine geringe Größe und Transparenz. Glasfische hingegen bleiben ihr ganzes Leben lang klein und nahezu durchsichtig, was Biologen neue Möglichkeiten bietet, das Gehirn in Aktion zu beobachten.