Der Zebrafink ist vielleicht das Paradebeispiel für das Sprichwort: Man kann einem alten Hund keine neuen Tricks beibringen. Manche Zebrafinken behalten im Alter nicht die Fähigkeit, neue Gesänge zu lernen, doch die Gründe sind nicht das, was man erwarten würde. Überraschenderweise verlieren Finken diese Fähigkeit nur dann, wenn sie in ihrer Jugend unterrichtet wurden. Finken, denen keine bestimmten Gesänge beigebracht wurden, sind dagegen weiterhin lernfähig. Diese Besonderheit stand im Mittelpunkt einer aktuellen Studie, die zeigte, dass Erfahrungen Veränderungen an der Struktur der genomischen DNA verursachen können, was sich anschließend auf die Lernfähigkeit auswirkt.
Was steckt in einem Gesang?
Der Zebrafink kommt häufig in Australien vor, und nur die Männchen können Gesänge lernen und memorieren. Sie lernen in der kritischen Phase von 30 bis 65 Tagen nach dem Schlüpfen einen einzigen Gesang von einem erwachsenen Tier. Dieser Gesang bildet die Grundlage für einen neuen, einzigartigen Gesang, den sie entwickeln und für den Rest ihres Lebens verwenden. Sobald Zebrafinken diese frühe kritische Phase überschritten haben, verlieren in ihrer Jugend unterrichtete Finken die Fähigkeit, neue Gesänge zu lernen, während ununterrichtete Finken diese Lernfähigkeit seltsamerweise behalten.
Um ihre Hypothese zu prüfen, isolierte ein Team unter der Leitung von Sarah London, Assistant Professor am Department of Psychology der University of Chicago, eine Gruppe männlicher Jungfinken während ihrer kritischen Phase. Eine zweite Gruppe von Vögeln erhielt im selben Zeitraum Unterricht.
Die Forschenden beobachteten unterschiedliche epigenetische Veränderungen in den Gehirnen der unterrichteten gegenüber den isolierten Finken, was zu Veränderungen der strukturellen Eigenschaften ihrer genomischen DNA führte. Das deutet auf einen Zusammenhang hin zwischen dem epigenetischen Prozess, der es Erfahrungen ermöglicht, Genexpression auszulösen, und der Genexpression, die für das Memorieren unterrichteter Gesänge erforderlich ist.
Die Ergebnisse zeigten, dass regulatorische Faktoren, die bekanntermaßen eine Rolle bei Lernen und Gedächtnis spielen, in den Genen der isolierten Vögel überrepräsentiert sind.
Technisch betrachtet
Hinter all diesen komplexen Prozessen steht die bestätigte Präsenz eines spezifischen neuronalen Signals im Gehirn junger Zebrafinken: die mechanistic Target of Rapamycin-Kaskade, kurz mTOR-Kaskade. Wenn die Vögel einen Gesang hören, wird die mTOR-Kaskade aktiviert.
„Wir hatten aus anderen Laborstudien Hinweise darauf, dass eine Hemmung von mTOR Lernereignisse stört, und wir hatten auch Hinweise darauf, dass seine Aktivierung das ebenfalls tut – aber ohne einen guten Vergleich. Wir wollten sowohl Aktivierung als auch Hemmung direkt nebeneinander im selben Experiment testen“, sagte London.
Das Team analysierte die Gesangsmuster der erwachsenen Tutorvögel und ihrer jungen Schüler mit Software, die für den Vergleich von Lautäußerungen entwickelt wurde. Wenn die Forschenden die mTOR-Aktivierung verstärkten oder hemmten, führten beide Eingriffe zu einer Abnahme der Fähigkeit des Vogels, den Erwachsenengesang nachzuahmen. Wurde die mTOR-Aktivierung verändert, behielten die Jungvögel zwar die Fähigkeit, Gesänge zu lernen, konnten jedoch nicht die vollständige Struktur der Gesänge reproduzieren.
Zukünftige Implikationen
Die Ergebnisse dieser Studie könnten uns helfen, frühe Lebenserfahrungen und deren Auswirkungen auf Verhalten und Gehirnfunktionen besser zu verstehen. mTOR reguliert die Proteinsynthese, einen wichtigen Faktor bei der Bildung von Langzeitgedächtnis, und mTOR-bezogene Störungen werden mit Autismus und anderen gedächtnisbezogenen Erkrankungen in Verbindung gebracht.
„In den letzten 5 bis 10 Jahren scheint es eine Konvergenz dahingehend zu geben, dass die mTOR-Kaskade ein gemeinsamer, gestörter Prozess bei Autismus-Spektrum-Störungen ist. Wir untersuchen Autismus an sich nicht, aber unsere Aufmerksamkeit wurde dadurch geweckt, dass Zebrafinken eine ähnliche Situation modellieren: Es gibt ein entwicklungsbezogenes Ereignis, das soziale Interaktionen erfordert, und ein Kommunikationsverhalten, das bei Nagetieren schwer zu untersuchen ist, da diese typischerweise keine Lautäußerungen erlernen“, sagte London.
Eine weitere potenzielle Anwendung besteht darin, Lernhemmung zu nutzen, um zu verhindern, dass Patientinnen und Patienten Langzeiterinnerungen an traumatische Ereignisse ausbilden. Forschende hoffen außerdem, dass die Fähigkeiten benachteiligter Kinder gestärkt werden könnten, wenn wir besser verstehen, wie kleine Kinder lernen.
Von der Förderung kindlicher Fähigkeiten bis hin zur Entmystifizierung komplexer neurologischer Störungen eröffnen die Ergebnisse dieser Studie ein breites Spektrum an Möglichkeiten und zeigen einmal mehr, dass wir nie aufhören zu lernen.
Christina Phillis ist Content-Texterin bei Thermo Fisher Scientific.