Das Gehirn verarbeitet Sinneseindrücke, reagiert auf äussere Einflüsse und steuert das Verhalten. Wie es das macht, untersuchen Hirnforscher am Modell des Zebrafischs.
Die komplizierten optischen Geräte, die es braucht, um einem Tier ins Gehirn zu blicken, gibt es nur im Labor. Dort verhalten sich Tiere aber nicht wie in der Natur – es sei denn, ihnen wird eine natürliche Umgebung vorgegaukelt. Genau das ermöglicht die virtuelle Realität.
Bei Zebrafischen wird sie bereits angewendet, aber nur bei Tieren im Larvenstadium. Forscher aus Basel haben das Verfahren nun weiterentwickelt, so dass neu auch die Hirnaktivität erwachsener Fische untersucht werden kann.
Für die Hirnforschung ist das interessant, weil erwachsene Fische ein breiteres Repertoire an Verhaltensweisen und ein ausgereifteres Gehirn haben als junge Tiere. Mit der neuen Methode lassen sich daher soziale Interaktionen oder Lernprozesse erforschen, wie die Forscher in der neusten Ausgabe des Fachjournals «Nature Methods» berichten.
Zebrafische «schwimmen» in einer virtuellen Landschaft
Die Forscher vom Basler Friedrich-Miescher-Institut platzierten für ihre Studie einen Zebrafisch in die Mitte eines Beckens. An die Beckenwand projizierten sie eine virtuelle Umgebung, die eine felsige Unterwasserlandschaft zeigte.
Eine Kamera filmte die Schwanzbewegungen des am Kopf fixierten Fisches. Aus den Bewegungen leitete ein Computer ab, in welche Richtung der Zebrafisch zu schwimmen beabsichtigte, und steuerte entsprechend die Projektion in Echtzeit.
Für ihr Experiment verwendeten die Forscher genetisch veränderte Zebrafische, deren Hirnzellen fluoreszierten, wenn sie aktiv waren. Mit einem speziellen Mikroskop konnten die Forscher die fluoreszierenden Hirnzellen durch die Schädeldecke hindurch beobachten.
Fische zeigten ein nahezu natürliches Verhalten
Wie die Forscher schreiben, verhielten sich die Zebrafische in der virtuellen Realität ähnlich wie in der freien Natur. Auf virtuelle Artgenossen etwa hätten sie gleich reagiert wie sonst auf echte.
Dass sich mit der neuen Methode tatsächlich die Funktionsweise des Gehirns erforschen lässt, zeigten die Forscher anhand eines weiteren Versuchs. Programmierten sie die virtuelle Realität so, dass sie sich plötzlich «falsch» verhielt, also zum Beispiel in die entgegengesetzte Richtung lief, wurden im Gehirn des Zebrafischs spezifische Regionen aktiv. Die Forscher vermuten, dass diese Regionen für kognitive Prozesse verantwortlich sind, die dann ablaufen, wenn eintreffende und vom Fisch erwartete Sinneswahrnehmungen voneinander abweichen.
In der virtuellen Realität ist vor allem der Sehsinn gefragt
Die virtuelle Realität hat zwei Vorteile. Zum einen können die Forscher genau kontrollieren, welchen Reizen ein Tier ausgesetzt wird. Zum anderen können sie den Kopf des Tiers fixieren, weil es nicht tatsächlich im Becken herumschwimmen muss, um seine Umgebung zu erkunden. Das ermöglicht es, hochauflösende bildgebende Verfahren anzuwenden, um die Prozesse im Gehirn sichtbar zu machen.
Der Neurobiologe Stephan Neuhauss von der Universität Zürich, der nicht an der Basler Studie beteiligt war, anerkennt die Vorteile des neuen Verfahrens. Er sieht aber auch dessen Grenzen. So könnten in der virtuellen Realität nur visuelle, allenfalls akustische Reize eingesetzt werden. Gerade für erwachsene Zebrafische spiele aber auch der Geruchssinn eine wichtige Rolle, insbesondere bei sozialen Interaktionen wie etwa dem Sexualverhalten.
Quelle:
Foto: Zebrafische werden in der Hirnforschung als Versuchstiere eingesetzt.
https://www.nzz.ch/wissenschaft/hirnforschung-zebrafische-schwimmen-in-einer-virtuellen-realitaet-ld.1543788
