Zebrafinken lehren uns etwas über das Lernen
Von Christina Phillis.
Der Zebrafink ist vielleicht der Inbegriff der Redewendung: Einem alten Hund kann man keine neuen Tricks beibringen. Einige Zebrafinken behalten die Fähigkeit, neue Lieder zu lernen, nicht bei, wenn sie älter werden, aber die Gründe dafür sind nicht die, die man erwarten würde. Überraschenderweise verlieren Finken diese Fähigkeit nur, wenn sie in ihrer Jugend unterrichtet wurden. Finken, denen keine speziellen Lieder beigebracht wurden, sind immer noch in der Lage, neue Lieder zu lernen. Diese Besonderheit stand im Mittelpunkt einer kürzlich durchgeführten Studie, die herausfand, dass Erfahrung Veränderungen in der Struktur der genomischen DNA bewirken kann, die sich folglich auf die Lernfähigkeit auswirken.
Was steckt in einem Lied?
Der Zebrafink ist in Australien beheimatet, und nur die Männchen können Lieder lernen und behalten. Sie lernen ein einziges Lied von einem Erwachsenen in der kritischen Zeit von 30 bis 65 Tagen nach dem Schlüpfen. Dieses Lied bildet die Grundlage für ein neues, einzigartiges Lied, das sie für den Rest ihres Lebens verwenden. Sobald Zebrafinken diese frühe kritische Phase durchlaufen haben, verlieren betreute Jungfinken ihre Fähigkeit, neue Lieder zu lernen, während nicht betreute Finken ihre Lernfähigkeit seltsamerweise beibehalten.
Um ihre Hypothese zu testen, isolierte ein Team unter der Leitung von Sarah London, Assistenzprofessorin an der Fakultät für Psychologie der Universität von Chicago, eine Gruppe männlicher Jungfinken während ihrer kritischen Phase. Eine zweite Gruppe von Vögeln erhielt während des gleichen Zeitraums "Nachhilfeunterricht".
Die Forscher beobachteten unterschiedliche epigenetische Veränderungen in den Gehirnen der betreuten und der isolierten Finken, die sich in Veränderungen der strukturellen Eigenschaften ihrer genomischen DNA niederschlugen. Dies deutet auf eine Verbindung zwischen dem epigenetischen Prozess, der es ermöglicht, dass Erfahrung die Genexpression auslöst, und der Genexpression, die für das Auswendiglernen von Liedern unter Anleitung erforderlich ist.
Die Ergebnisse zeigen, dass regulatorische Faktoren, von denen bekannt ist, dass sie eine Rolle beim Lernen und Gedächtnis spielen, in den Genen der isolierten Vögel überrepräsentiert sind.
Technisch ausgedrückt
Hinter all diesen komplexen Prozessen steht nachweislich ein spezifisches neuronales Signal im Gehirn junger Zebrafinken: die mTOR-Kaskade (mechanistic Target of Rapamycin). Wenn die Vögel ein Lied hören, wird die mTOR-Kaskade aktiviert.
"Wir hatten Hinweise aus anderen Laborstudien, dass die Hemmung von mTOR die Lernvorgänge stört, und wir hatten Hinweise darauf, dass dies auch bei seiner Aktivierung der Fall ist, aber wir hatten keinen guten Vergleich. Wir wollten die Aktivierung und die Hemmung direkt nebeneinander im selben Experiment testen," so London.
Das Team analysierte die Gesangsmuster von erwachsenen Tutoren und ihren jugendlichen Schülern mithilfe einer Software, die für den Stimmvergleich entwickelt wurde. Als die Forscher die mTOR-Aktivierung verstärkten oder hemmten, führten beide Maßnahmen zu einem Rückgang der Fähigkeit der Vögel, den Gesang der Erwachsenen nachzuahmen. Wenn die mTOR-Aktivierung verändert wurde, behielten die Jungvögel die Fähigkeit, Lieder zu lernen, konnten aber nicht die gesamte Liedstruktur reproduzieren.
Zukünftige Implikationen
Die Ergebnisse dieser Studie können uns helfen, Erfahrungen in der frühen Kindheit und ihre Auswirkungen auf das Verhalten und die Funktionen des Gehirns besser zu verstehen. mTOR reguliert die Proteinsynthese, einen wichtigen Faktor bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses, und mTOR-bezogene Störungen werden mit Autismus und anderen Gedächtnisstörungen in Verbindung gebracht.
"In den letzten 5 bis 10 Jahren scheint es eine Annäherung an die mTOR-Kaskade als einen gemeinsamen gestörten Prozess bei Autismus-Spektrum-Störungen zu geben. Wir untersuchen nicht den Autismus an sich, aber was unsere Aufmerksamkeit erregte, war, dass die Zebrafinken eine ähnliche Situation modellieren, in der es ein Entwicklungsereignis gibt, das soziale Interaktionen erfordert, und ein Kommunikationsverhalten, das bei Nagetieren, die normalerweise keine Lautäußerungen lernen, schwer zu untersuchen ist," sagte London.
Eine weitere mögliche Anwendung ist die Nutzung der Lernhemmung, um zu verhindern, dass Patienten langfristige Erinnerungen an ein Trauma entwickeln. Die Forscher hoffen auch, dass die Fähigkeiten von benachteiligten Kindern verbessert werden könnten, wenn wir besser verstehen würden, wie kleine Kinder lernen.
Von der Förderung der Fähigkeiten von Kindern bis hin zur Entmystifizierung komplexer neurologischer Störungen eröffnen die Ergebnisse dieser Studie ein breites Spektrum an Möglichkeiten und beweisen einmal mehr, dass wir nie aufhören zu lernen.
Christina Phillis ist Texterin für Inhalte bei Thermo Fisher Scientific.
