1 Einführung

1.1  Neuronale Grundlagen des Vogelgesangs als Modell für entwicklungs- und erfahrungsabhängige Plastizität

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Eine der zentralen Fragen in den Neurowissenschaften beschäftigt sich damit, wie das Gehirn Erfahrung eines Organismus verarbeitet, speichert und wieder abruft, um diese Erfahrung letztendlich in eine Verhaltensänderung umzusetzen. Wurden diese Fragen bisher vor allem an Lernparadigmen in erwachsenen Tieren untersucht, so belegen neuere Befunde, daß Untersuchungen zur entwicklungsabhängigen neuronalen Plastizität ebenso sehr wohl Einblicke in die Mechanismen liefern, wie Erfahrung im Nervensystem abgespeichert wird (Constantin-Paton et al., 1990; Shatz, 1996; Nordeen und Nordeen, 1997). In der frühen Ontogenese sensorischer Systeme bei Vertebraten, zum Beispiel, nimmt Erfahrung eine Schlüsselposition in der Organisation des Nervensystems ein. Der Einfluß dieser frühen Erfahrung hinterläßt charakteristische Veränderungen in den synaptischen Strukturen und Verbindungen, die oft größer sind als die in erwachsenen Tieren aufgrund von Lernen hervorgerufenen Veränderungen. Der Einfluß dieser frühen Erfahrung auf die Entwicklung der neuronalen Organisation hängt oftmals auch von der Art und dem genauen Zeitpunkt der sensorischen Stimulation ab, womit ein Zeitfenster für aktivitätsabhängige synaptische Veränderung vorgegeben ist: die synaptischen Veränderungen finden innerhalb einer kritischen Phase statt. Untersuchungen zu entwicklungsabhängiger neuronaler Plastizität und zu Lernprozessen im erwachsenen Tier lassen vermuten, daß durch Erfahrung in beiden Prozessen (entwicklungsbedingte Plastizität und erfahrungsabhängige Plastizität) ähnliche neuronale Mechanismen zu einer Veränderung von neuronaler Struktur führen.

Für die Untersuchung neuronaler Entwicklungsmechanismen, die die Grundlage biologisch relevanter Verhaltensweisen bilden, hat sich das Gesangssystem der Vögel als ein ausgezeichnetes Modellsystem bewährt, das dem experimentellen Ansatz viele Vorteile bietet: (1) beim Gesangslernen handelt es sich um einen Lernvorgang, der über bestimmte neuronale Bahnen gesteuert wird, (2) die in bestimmten Phasen stattfindende Gesangsentwicklung kann zur Entwicklung der zugrundeliegenden neuronalen Bahnen in Beziehung gesetzt werden, (3) dem Gesang liegt ein stereotypes motorisches Programm zugrunde, das hierarchisch mit prämotorischen und motorischen Kernen aufgebaut ist, (4) der Gesang sowie die zugrunde liegenden neuronalen Verschaltungen sind sexualdimorph, (5) Geschlechtshormone haben einen maßgeblichen Einfluß auf die Entwicklung und Aufrechterhaltung der neuronalen Bahnen für Gesang, sowie auch auf das Gesangsverhalten, (6) es gibt extensive neuronale Plastizität im erwachsenen Tier, einschließlich Neurogenese und saisonale morphologische Veränderungen (Übersicht in Brenowitz et al., 1997). Diese Vielfalt an Möglichkeiten experimentell in ein System einzugreifen, hat das Gesangssystem zu einem viel genutzten, bewährten Modellsystem ausreifen lassen.

1.2 Vergleichende Betrachtungen von Sprach- und Gesangssystem

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Ein weiterer Aspekt, der die Untersuchungen des Gesangslernen bei Vögeln so attraktiv gestaltet, sind die Gemeinsamkeiten zur Sprachentwicklung des Menschen. Unter Säugern ist es im allgemeinen nicht üblich, daß vokalmotorisches Lernen vom auditorischen Eingang der eigenen Lautäußerungen wie auch von den Lautäußerungen anderer abhängig ist, um ein Vokalisationsrepertoire aufzubauen. Der Mensch nimmt hier mit seiner Sprachentwicklung eine Sonderstellung ein. Untersuchungen an Kindern (Stoel-Gammon und Otowo, 1986) und an Singvögeln (Doupe und Kuhl, 1999) haben gezeigt, daß Vokalmotorik sich nur dann entwickeln kann, wenn die Individuen das Lautrepertoire anderer sowie ihre eigene Vokalisation hören können. Taube Kinder zeigen normalerweise keine für die Sprachentwicklung typische ‘Plapperphase’ (Oller und MacNeilage, 1983), ebensowenig tritt diese Phase bei vertäubten Vögeln auf (Konishi, 1965; Nottebohm, 1967). Die auditorische Rückkopplung ist aber nicht nur für die Entwicklung von Sprache notwendig, sondern auch für die Aufrechterhaltung der Sprachfähigkeit. Wenn Erwachsene ertauben, dann verändert sich allmählich ihre Vokalmotorik bis hin zur Unkenntlichkeit (Cowie und Douglas-Cowie 1992), ebenso wie ein Gesangsmuster seine ursprüngliche Struktur vollends verlieren kann (Nordeen und Nordeen 1992). Der Erwerb motorischer Sprachprogramme ist beim Menschen auf eine bestimmte Zeit (sensible Phase) während der Entwicklung beschränkt, ebenso verhält es sich mit der Gesangsentwicklung bei Vögeln. Ein in früher Jugend erworbenes Sprachmuster bzw. Gesangsmuster läßt sich im erwachsenen Individuum nur sehr schwer verändern (Kuhl, 2000). Bei den Singvögeln bezieht sich diese Aussage allerdings nur auf solche Arten, die im erwachsenen Tier ein starres Gesangsmuster aufweisen, wie z.B. einige Finkenarten. Ein weiteres gemeinsames Merkmal ist der Zeitverlauf für den Sprach- bzw. Gesangserwerb, findet doch die Musterlegung vokalisationsspezifischer Elemente lange vor der vokalmotorischen Phase statt. Für den Menschen konnte bereits bei einjährigen Kindern sprachspezifische Muster in der Sprachproduktion anhand von Spontanäußerungen festgestellt werden (de Boysson-Bardies, 1993). Neuere Untersuchungen zeigen, daß Kleinkinder bereits mit 20 Wochen Vokale weitaus deutlicher aussprechen als mit 12 Wochen (Kuhl und Meltzoff, 1996) und daß diese Leistung durch Zuhören und Nachahmung erreicht wird. Um einen bestimmten Vokal in seiner Aussprache zu verbessern, reicht eine sehr kleine Zeitspanne von nur 15 Minuten bereits aus. Auch bei Vögeln konnte mit einer sehr kleinen Anzahl von Expositionen eines Gesangsmusters ein Lernerfolg bei der motorischen Gesangsdarbietung erzielt werden. So sind bei Zebrafinken z.B. durch Vorspielen eines Gesangsmusters von insgesamt nur 30 Sekunden in der sensiblen Phase des Gesangslernens, verteilt auf 40 einzelne Darbietungen, ausreichend, um dann später im adulten Tier dieses Gesangsmuster selber so zu singen (Tchernichovski et al., 1999). Ein ähnlicher Befund wurde auch bei Nachtigallen festgestellt (Hultsch und Todt, 1989, 1996). Aufgrund von auditorischer und sehr wahrscheinlich auch visueller Erfahrung wird ein Gedächtnis des Vokalisationsmusters gebildet und ein solches Muster steuert letztendlich sensomotorisches Lernen von Sprache beim Menschen, sowie die Gesangsproduktion bei Vögeln (Adret, 1993; Kuhl, 2000).

Nicht nur auf der Verhaltensebene lassen sich in der Gesangsentwicklung bei Vögeln Gemeinsamkeiten zur Sprachentwicklung beim Menschen aufzeigen. Auch auf der neuronalen Ebene gibt es Parallelen zwischen dem Sprachsystem und dem Gesangssystem. Wie beim Menschen so haben sich auch bei Singvögeln spezifische Gehirnregionen im Laufe der Evolution entwickelt, die für den Gesangserwerb und für die motorische Koordination von Lautäußerungen eine wichtige Rolle spielen (Iyengar et al., 1999; Kuhl, 2000). Neuere Techniken und Bildanalysesysteme zeigen, daß beim Menschen neben den klassischen Sprachzentren, wie das Broca und Wernicke Areal, auch noch andere Gehirnareale bei der Sprachverarbeitung eine wichtige Rolle spielen. Auch beim Vogel gibt es für das Gesangslernen und für die Gesangsproduktion spezifische Kernregionen. Auch findet sich in einigen Vogelarten wie z.B. dem Kanarienvogel eine Hemisphärendominanz vor (Nottebohm et al., 1976), wie es auch für die Sprachrepräsentation bekannt ist. Aufgrund dieser Betrachtungen kann das Gesangssystem auch für die Sprachentwicklung Modellcharakter haben.

1.3 Das Gesangssystem bei Vögeln

1.3.1  Verhaltensbiologische Grundlagen des Gesangslernens

Singvögel (Oscines) müssen ihren Gesang erlernen und diese Fähigkeit scheint unter Singvögeln ein ganz universelles Merkmal zu sein (Kroodsma und Baylis, 1982; Marler, 1990; Marler und Nelson, 1992). Singvögel entwickeln ihr Gesangsrepertoire indem sie den Gesang von erwachsenen Vögeln nachahmen. Damit diese Gesangsentwicklung normal ablaufen kann, muß das Tier während seiner gesamten Entwicklungsphase ein vollständig intaktes Hörvermögen haben.

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Im allgemeinen überlappt der Lebensraum verschiedener Arten, so daß es viele verschiedene Gesangsmuster zu hören gibt und sich somit die Frage stellt, wieso Singvögel typischerweise den für ihre Art charakteristischen Gesang erwerben und nicht den einer anderen Art. Mit dem Modell des „auditorischen Templates“ wird ein Mechanismus vorgeschlagen der das Erlernen artspezifischer Gesangsstrukturen steuert (Konishi, 1965a; Marler, 1970). Diesem Modell zufolge sind Singvögel angeborenermaßen mit einem auditorischen „Muster“ ausgestattet, das Aspekte ihres arteigenen Gesangs enthält. Hören die Tiere während der sensitiven Phase arteigenen Gesang, dann wird dadurch ein Lernprozeß aktiviert, der dafür sorgt, daß das Gesangsmuster eines Tutors im Gedächtnis abgespeichert wird, also eine Gedächtnisspur von dem Gesangsmuster gebildet wird (Marler und Peters, 1981; Marler, 1991). Für die Existenz eines solchen auditorischen Templates sprechen verschiedene Beobachtungen wie eine Prädisposition den arteigenen Gesang zu erwerben, der Verbleib von arterkennender Information im Gesang von gesangsdeprivierten Vögeln, sowie die stark verkümmerte Gesangsstruktur gehörloser Vögel im Vergleich zu den Gesängen gesangsdeprivierter Tiere (Konishi, 1965b; Marler und Sherman, 1983; Konishi, 1985). Wenn also ein Vogel ein auditorisches Template für den arteigenen Gesang besitzt, dann sollte dieses Muster für ihn wie ein Verstärker wirken, so daß ein Jungvogel eher dem Gesang der eigenen Art zuhört als Fremdgesängen zu lauschen. Eine solche verstärkende Wirkung des arteigenen Gesangs gegenüber artfremden Gesang wurde an verschiedenen Arten wie dem Buchfinken (Fringilla coelebs) (Stevenson, 1967), dem Kanarienvogel (Serinus canaria) (Calhoun et al., 1993) und dem Zebrafinken (Taeniopygia guttata) aufgezeigt (TenCate, 1991; Adret, 1993; Braaten and Reynolds, 1999).

Singvögel lassen sich im allgemeinen in ‘closed-ended learners’ und ‘open-ended learners’ unterscheiden. ‘Closed ended learners’ weisen im Adultzustand ein stereotypes Gesangsmuster auf, das nicht weiter verändert wird. Im Gegensatz dazu können ‘open-ended learners’ im Adultzustand ihr Gesangsmuster stark variieren und neue Gesangselemente dazulernen. Das Gesangslernen der ‘closed-ended learners’ ist also auf eine bestimmte frühe Entwicklungsphase beschränkt, wohingegen bei ‘open-ended learners’ auch noch im adulten Tier intensives Gesangslernen stattfinden kann. Bei den sogenannten ‘close-ended learners’ ging man davon aus, daß für den Erhalt des motorischen Gesangsmusters das Hörsystem nicht weiter erforderlich ist. Jedoch kann bei vielen dieser ‘close-ended learners’ sehr wohl Plastizität im allgemeinen Aufbau der Gesangsstruktur auch noch im erwachsenen Tier beobachtet werden. So kann bei dem ‘closed-ended learner’ wie dem Japanischen Mövchen (Lonchura striata), die Anzahl der Gesangselemente, sowie deren Abfolge im Gesangsverlauf von Gesang zu Gesang recht stark variieren, obwohl keine neuen Elemente ins Gesangsrepertoire hinzukommen und auch keine Gesangselemente im erwachsenen Tier verlorengehen (Okanoya, 1997). Daher ist anzunehmen, daß auch in diesen Arten mit auskristallisiertem Gesang für die Aufrechterhaltung der normalen Gesangsstruktur auditorische Rückkopplung notwendig ist.

1.3.2 Die Rolle der auditorischen Rückkopplung

Für eine normale Gesangsentwicklung ist ein intaktes Hörvermögen auf jeden Fall erforderlich, für die Aufrechterhaltung eines Gesangsmusters im adulten Tier allerdings nicht unbedingt. Wird ein Vogel noch vor der Auskristallisierung des Gesangs vertäubt, also noch bevor das Gesangsmuster in seiner endgültigen Form erlernt worden ist, so verkümmert seine bisher erworbene Gesangsstruktur und es entwickelt sich ein abnormaler Gesang (Konishi, 1964, 1965; Nottebohm, 1968; Marler and Waser, 1977; Marler and Sherman, 1983). Alle bisher untersuchten Singvogelarten benötigen akustische Erfahrung für ein erfolgreiches Gesangslernen. In erwachsenen Tieren ist allerdings die Bedeutung den eigenen selbst produzierten Gesang auch tatsächlich hören zu können bei verschiedenen Arten unterschiedlich ausgeprägt: so können z.B. Kanarienvögel ohne auditorische Rückkopplung ihren Gesang nicht mehr korrekt vortragen. Sie benötigen demnach auch nach der Geschlechtsreife ein intaktes Hörvermögen. Die Gesangsstruktur eines vollständig vertäubten erwachsenen Tieres verkümmert innerhalb von nur sieben Tagen (Nottebohm, 1976). Die Gesangsstruktur eines im erwachsenen Alter vertäubten Tieres ist nach einem Jahr nicht mehr von derjenigen Gesangsstruktur zu unterscheiden, wo die Vertäubung bereits in frühester Jugend stattfand (Güttinger, 1981). Anders verhält es sich bei den Weißkopfammerfinken (Zonotrichia leucophris) und den Buchfinken (Fringilla coelebs), für die auditorische Rückkopplung bei der Gesangsproduktion im adulten Tier nicht weiter notwendig ist: vertäubte erwachsene Tiere tragen auch noch zwei Jahre nach der Operation ihr Gesangsrepertoire unverändert vor (Konishi, 1965; Konishi and Nottebohm, 1969). Zebrafinken (Taeniopygia guttata) können nach Vertäubung ihren Gesang auch ohne auditorische Rückkopplung für einige Wochen weiterhin fehlerfrei vortragen (Price, 1979; Bottjer and Arnold, 1984). Da aber Effekte einer Vertäubung zu einem späteren Zeitpunkt nach ca. 16 Wochen sichtbar werden, ist letztendlich auch für den Zebrafinken ein intaktes Hörvermögen notwendig, um den Gesang auch weiterhin in vollendeter Form vortragen zu können (Nordeen und Nordeen, 1992a).

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Kanarienvögel gehören zu den ‘open-ended learners’ und lernen Gesang nicht nur im ersten Lebensjahr, sondern auch noch in den Jahren danach, so daß neue Gesangselemente ältere ersetzen (Nottebohm and Nottebohm, 1978; 1986; Güttinger, 1979). Wegen dieser erweiterten Fähigkeit, Gesang auch noch im Adultzustand immer wieder neu erwerben zu können, ist das Vorhandensein eines stetigen akustischen Eingangs unbedingt erforderlich. Bei den ‘closed ended learners’ wie dem Weißkopfammerfink (Zonotrichia leucophris), Buchfink (Fringilla coelebs), Mövchen (Lonchura striata) und Zebrafink (Taeniopygia guttata) findet das Gesangslernen nur in einer bestimmten Phase in der Jugendentwicklung statt und neue Elemente werden danach nicht weiter hinzugelernt. In diesen Arten, so nimmt man an, wird das während der sensiblen Phase gehörte und im Gedächtnis abgelegte auditorische Gesangsmuster anschließend in ein festes (statisches) motorisches Muster im erwachsenen Tier transformiert. Für adulte Tiere scheint es dann nicht mehr wichtig zu sein, ihr motorisches Gesangsmuster über auditorische Rückkopplung zu kontrollieren, was aber nicht für jeden bisher untersuchten closed-ended learner zutrifft (s. Zebrafink). Daher ist es sehr wahrscheinlich, daß auch andere Faktoren als diejenigen, die sich aus den verschiedenen Lerntypen ergeben (open-ended vs. close-ended learners), die Rolle der auditorischen Rückkopplung bei der Gesangsproduktion in den verschiedenen Arten bestimmen. Kanarienvögel unterscheiden sich von anderen Singvogelarten nicht nur durch ihre Lernform (open-ended learners), sondern auch in der Darbietung ihres Gesangsmuster: die Anzahl sowie auch die Aneinanderreihung (Sequenz) der Gesangselemente innerhalb eines Gesangsmusters ändert sich mit jeder Gesangsdarbietung. Im Gegensatz dazu sind die Gesänge von Weißkopfammerfink, Buchfink und Zebrafink recht kurz gestaltet und sehr stereotyp, so daß der Gesang eines Individuums immer gleich klingt, also für ein bestimmtes Tier immer identisch ist (die Gesänge verschiedener Individuen unterscheiden sich aber voneinander). Aus diesen Gründen ist anzunehmen, daß bei Singvögeln mit variablem Gesangsrepertoire wie dem Kanarienvogel die auditorische Rückkopplung insbesondere bei der Positionierung der Gesangselemente innerhalb eines Gesangsmusters eine wichtige Rolle spielt und somit die Effekte der Vertäubung aufgrund fehlender auditorischer Rückkopplung in bereits kürzester Zeit so markant auftreten. Inwiefern die Form des Gesangsmusters bei Buchfinken und Zebrafinken eine Bedeutung für die unterschiedlichen Effekte bei der Vertäubung spielen oder ob wiederum andere Faktoren eine Rolle spielen, ist noch nicht geklärt. Letztendlich sollten diese Unterschiede auf der Verhaltensebene sich in Unterschieden in den neuronalen Verschaltungen wiederfinden, was noch zu überprüfen wäre.

1.3.3 Das Gesangslernen bei Zebrafinken (Taeniopygia guttata)

Das Gesangslernen läßt sich wie auch andere Lernvorgänge nicht auf einen einheitlichen globalen Vorgang zurückführen, sondern kann in mindestens drei Abschnitte unterteilt werden: 1) in die Akquisitionsphase, in der Information (Gesangsmuster eines Tutors) in zentrale Schaltungen codiert wird, wobei diese Schaltkreise auch Mikroschaltungen innerhalb einer Kernregion beinhalten können, 2) in die Speicherungsphase, während der die eingehende Information in den Schaltkreisen festgehalten wird und bei der Konsolidierung sich letztendlich in morphologisch erkennbare Veränderungen der Synapsenstruktur manifestiert und 3) in die Abrufphase, wo die Information abgerufen werden kann und eine Wahrnehmung (akustisches Erkennen eines Gesangsmuster) und eine daraus folgende Handlung (motorische Gesangsaktivität bei Männchen) einleitet (modifiziert nach Shepherd, 1993). Diese für Gedächtnisbildungsprozesse aufgestellten neuronalen Mechanismen lassen sich auch auf das Gesangslernen übertragen und werden auch in entsprechender Abfolge auf der Verhaltensebene postuliert (Marler, 1997).

Bei den meisten Singvogelarten, wie auch dem Zebrafinken, singen ausschließlich die Männchen. Die Jungtiere lernen ihren Gesang, indem sie ihr eigenes Vokalisationsmuster über auditorische Rückkopplung an ein im Gehirn gelerntes Muster (auditory template = Gesang des Vaters) anzupassen versuchen. Das Gesangslernen beim Zebrafinken, vereinfacht in zwei Phasen dargestellt, beinhaltet: (1) die sensorische Lernphase, während der durch das Hören akustischer Vorbilder die Aufnahme eines Gesangstyps und die Festlegung desselben im ZNS in Form eines Sollmusters erfolgt und (2) die Gesangsentwicklungsphase, also die sensomotorische Phase, die durch die motorische Einübung des Gesangs gekennzeichnet ist (Abb. 1). Beim Zebrafinken läßt sich die erste Phase ("template formation") für die Zeit zwischen dem ca. 20. und 35. Tag eingrenzen (Böhner, 1990). Das Ende dieser Phase kann unter bestimmten Umständen weit über die normale zeitliche Begrenzung hinausgehen (bis nach der Geschlechtsreife: s. Morrison und Nottebohm, 1993). Unter experimentellen Bedingungen, wenn z.B. während der Gedächtnisbildungsphase für Gesang ein anderer neuer Tutor angeboten wird oder der Tutorgesang erst viel später zur Verfügung gestellt wird, dann kann die sensorische Phase um viele Wochen verlängert werden (Clayton, 1987; Eales, 1985;

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Abb. 1: Schematische Darstellung des Gesangslernens bei Zebrafinken. In der sensorischen Phase wird ein Gesangsmuster über den auditorischen Eingang im Gedächtnis abgelegt. In der sensomotorischen Phase versucht das Tier seine eigene anfangs noch sehr unreife Gesangsstruktur (früher plastischer Gesang) dem im Gedächtnis abgespeicherten Modell anzugleichen. Die Gesangsentwicklungsphase endet mit dem Eintritt der sexuelle Reife in einem auskristallisierten Gesangsmuster.
(modifiziert nach Nottebohm, 1993)

Slater et al., 1993; Morrison and Nottebohm, 1993; Jones et al., 1996). Bereits in der Gedächtnisbildungsphase sind andeutungsweise im Jugendgesang der Männchen unstrukturierte Gesangselemente zu erkennen, die den „Subsong“ (SS) bilden. Die sensomotorische Phase, das eigentliche Einüben des Gesangsmusters, beginnt beim Zebrafinken zwischen dem 30. und 40. Tag mit dem frühen plastischen Gesang (PS), der um den 60. Tag in den späten plastischen Gesang übergeht (Abb. 1). Die sensomotorische Phase endet um den 80. Tag mit der Auskristallisation des Gesangsmusters, kann aber auch bei einigen Individuen bis zum ca. 100. Tag andauern (Immelmann, 1969; Böhner, 1990; Nottebohm, 1993). Das bedeutet, daß ein Zebrafinkenmännchen bis zur Geschlechtsreife damit beschäftigt ist seinen Gesang in eine solche Form zu bringen, daß sie der im Gedächtnis abgespeicherten Form entspricht.

Eine Vielzahl von Untersuchungen behandelt die Frage nach den Voraussetzungen und den notwendigen Bedingungen für diesen Lernprozess (e.g. Jones et al., 1996). Bei diesem Lernprozess handelt es sich um den Erwerb eines komplexen motorischen Musters, die Gesangsstruktur, die kurz vorgestellt werden soll. Die kleinste Einheit eines Gesangsmusters ist das Element, definiert als durchgehende Schwärzung auf einem Sonagramm, die kohärent ist in der Zeit (Sossinka und Böhner, 1980). Das Element wird von verschiedenen Autoren auch Ton oder Silbe genannt (Price, 1979; Zann, 1993). Elemente sind durch Pausen getrennt (Abb. 2). Eine Aneinanderreihung von verschiedenen Elementen (einschließlich der Pausen) wird Motiv genannt (oder auch „song phrase“). Ein fertiges (auskristallisiertes) Gesangsmuster kennzeichnet sich vor allem durch die starre Abfolge der Elemente innerhalb des Motivs aus. In der Abbildung 2 ist ein kurzer Ausschnitt aus einem Gesangsmuster in Form eines Sonagramms dargestellt. Die einzelnen Elemente sind exemplarisch mit Nummern markiert, i steht für Einleitungselement (introductory note). Im allgemeinen werden bei der Gesangsdarbietung mehrere Motive hintereinander weg gesungen. Die Aneinanderreihung von Motiven wiederum wird Strophe genannt. Der Gesang beginnt immer mit einem spezifischen Element, dem Einleitungselement, das in einer kurzen Sequenz dem einleitenden Motiv vorangestellt wird. Das Einleitungselement kann auch leicht abgeändert im Motiv selbst erscheinen oder innerhalb einer Strophe zwischen zwei Motivabfolgen stehen. Dauert eine Pause zwischen zwei Elementen länger als 2 Sekunden, kennzeichnet das den Beginn einer neuen Strophe. Zebrafinken haben im allgemeinen 6 oder 7 Elemente in ihrem Motiv eingebaut. Die Motivlänge wiederum ist artspezifisch und liegt bei allen Zebrafinken zwischen 700 und 800 msec (Sossinka and Böhner, 1980). Durch die starre Abfolge der Elemente im Motiv und die konstante Aneinanderreihung von Motiven bei der Gesangsdarbietung hören sich für den Beobachter Zebrafinkengesänge alle recht ähnlich an. Der Gesang eines Zebrafinken ist aber ganz individuell und unterscheidet sich eindeutig von dem seines Nachbarn, insbesondere durch den Aufbau und die Anzahl der Elemente im Motiv. Während der gesamten Jugendentwicklung wird dieses komplexe motorische Muster Schritt für Schritt eingeübt. Während der motorischen Gesangsentwicklung werden erst die Elemente über einen langen Zeitraum in ihrer endgültigen Form eingeübt und dann erst wird die stereotype Anordnung der Elemente im Motiv erworben, wobei die Kopiergenauigkeit des Gesangs von der Gesangsaktivität unabhängig ist (Böhner 1991, 1993).

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Abb. 2: Ausschnitt aus dem Gesangsmuster eines adulten Zebrafinkenmännchens, dargestellt in Form eines Sonagramms. Das Gesangsmuster baut sich aus Elementen auf, wobei unter einem Element (element, syllable, note) ein kontinuierlicher Ton verstanden wird, der sich durch Pausen von anderen unterscheidet. Zebrafinkengesang beginnt immer mit einer kurzen Folge von Einleitungselementen (i introductory notes). Dann folgt eine Sequenz von verschieden strukturierten Elementen, die immer in der gleichen Anordnung gesungen werden und in der Abbildung mit Zahlen wiedergegeben sind. Eine solche Sequenz wird Motiv (motif, song phrase) genannt. Im allgemeinen werden mehrere Motive hintereinander weg gesungen, die dann eine Strophe bilden. Jedes Zebrafinkenmännchen besitzt sein eigenes individuelles Gesangsmuster, das sich durch die Form und die Anzahl der gesungenen Elemente von anderen Zebrafinkengesänge unterscheidet.
(modifiziert nach Korsia und Bottjer, 1991)

Im allgemeinen versteht man unter dem Begriff ‘Gesangslernen’ den Erwerb eines motorischen Gesangsmusters, also die Fähigkeit einen Gesang dann auch selber vortragen zu können. Dieser Lernprozeß beinhaltet immer zuerst ein sensorisches Lernen, wobei der Vogel sich ein Gesangsmuster einprägen muß. Zebrafinkenweibchen singen zwar nicht, erlernen aber auch ihr arteigenes Gesangsmuster, denn bei der Partnerwahl sind sie sehr wohl in der Lage, einen Zebrafinkengesang von artfremden Gesang unterscheiden zu können (Miller, 1979; Cynx, 1993). Da also Zebrafinkenweibchen selber nicht singen, findet bei ihnen demnach lediglich die sensorische Phase des Gesangslernens statt, nicht aber die sensomotorische. Der Balzgesang wird ausschließlich von Männchen vorgetragen und die Weibchen wählen sich ihren Geschlechtspartner entsprechend seiner Gesangsdarbietung aus. Dabei zeigen die Weibchen eine Präferenz für den Gesang eines Männchens, zu dem sie enge verwandtschaftliche Beziehungen haben (Miller, 1979). Zebrafinkenweibchen sind in der Lage, sehr feine Unterschiede in einer Gesangsstruktur zu unterscheiden. Cynx et al., (1990) konnten durch operante Konditionierung nachweisen, daß sie in einer dargebotenen Silbe (die sich aus einer Grundfrequenz und ihren Harmonischen zusammensetzt), eine einzelne fehlende Harmonische dieser Silbe erkennen können. Welche neuronalen Strukturen für diese Fähigkeiten verantwortlich sind, ist noch nicht geklärt.

1.3.4 Neuronale Verschaltungen des Gesangssystems

Vögel besitzen neuronale Zentren, die sich auf das Gesangslernen und die Gesangsproduktion spezialisiert haben (Nottebohm, 1993). Die Verschaltungen dieser Gehirnregionen bilden die Voraussetzungen für den Gesangserwerb und für die Aufrechterhaltung erworbener Gesangsmuster und weisen interessante Parallelen zu Säugern auf (Reiner et al., 1983; Karten, 1991; Wild, 1997; Iyengar et al., 1999). Singvögel haben für Gesang ähnlich wie der Mensch für Sprache, im Laufe der Phylogenese ein telencephales Kontrollsystem für die Produktion gelernter Vokalisation entwickelt (Wild, 1997). Die sogenannte ‘motorische Bahn’ des Gesangssystems projiziert auf Mittelhirnregionen und Hirnstammareale, die wiederum die Muskelaktivität des Syrinx und der Atmung kontrollieren. Die prämotorische Bahn wurde erstmals von Nottebohm et al. (1976) beschrieben. Ihre Hauptkomponenten bestehen aus dem im caudalen Bereich des Telencephalons liegenden HVC (high vocal center; früher Hyperstriatum ventrale, pars caudalis genannt), der eine direkte Verbindung zum Nucleus Robustus archistriatalis (RA) macht, und dem im Hirnstamm liegenden N. hypoglossus trachaeosyringealis (N. XIIts), der mit seinen Neuronen die Syrinxmuskulatur innerviert (Abb. 3). Da der HVC nicht Teil des Hyperstriatums ist, wie ursprünglich angenommen (Nottebohm et al., 1976), sondern als Teil des dorsalen caudalen Neostriatums identifiziert wurde (Nottebohm, 1987; zitiert in Margoliash et al., 1994), wird inzwischen oftmals nur noch das Akronym HVC von vielen Autoren verwendet. Zur prämotorischen Bahn gehört ebenso der N. Uvaeformis (Uva) im Thalamus und der N. Interfacialis im Telencephalon (NIf) - beide Kernregionen projizieren in den HVC (Nottebohm et al., 1982; McCasland, 1987; Williams, 1985, 1989; Williams und Vicario, 1993).

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Neben der direkten Verbindung von HVC nach RA gibt es eine weitere indirekte Bahn, die auch HVC mit RA verbindet, aber dabei über die Basalganglien und den Thalamus führt (Bottjer et al., 1989; Okuhata und Saito, 1987). Diese zweite Bahn wird anteriore Vorderhirnschleife genannt (AFP = anterior forebrain pathway). Sie führt vom HVc über die dem Striatum ähnelnde area X, die mediale Region des dorsolateralen thalamischen Nucleus (DLM) und weiter über eine Vorderhirnregion, die sehr wahrscheinlich dem Präfrontalen Cortex analog ist: der laterale magnocellulare Nucleus des anterioren Neostriatum (LMAN) (Okuhata and Saito, 1987; Bottjer et al., 1989; Williams, 1989). Neben diesen beiden Pro-

Abb. 3: Schematische Darstellung der neuronalen Verschaltung im Gesangssystem. In der motorischen Bahn (dunkel schraffiert) projiziert der HVC zum Nucleus robustus archistriatalis (RA), der wiederum seine Axone zum Hypoglossusnucleus sendet (nXIIts). In der anterioren Vorderhinrschleife (hell schraffiert) verläuft die Information vom HVC zur area X im Lobus olfactorius (area X), von dort in den anterioren Thalamus zum DLM (N. dorsolateralis thalami), der seine Axone zum LMAN (N. lateralis magnocellularis des anterioren Neostriatum) sendet, von wo die Information in den RA gelangt. Daher erhält der RA eine direkte Projektion vom HVC, sowie auch eine indirekte Projektion über die anteriore Vorderhirnschleife. Der HVC erhält ferner Information vom RA, über den posterioren Teil des dorsomedialen thalamischen Nucleus (DMP), der seine Information zum magnocellulären Nucleus des anterioren neostriatums (mMAN) schickt, der wiederum zum HVC projiziert.

jektionssystemen (prämotorische Bahn und AFP) gibt es noch eine Vielzahl von Kernregionen, die direkt und/oder indirekt in das neuronale Netzwerk des Gesangssystems eingebunden sind. Die afferenten und efferenten Projektionen dieser Kernregionen sind bei weitem noch nicht vollständig geklärt. Der RA projiziert nicht nur zum nXIIts, sondern auch

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massiv zu den respiratorischen Kernen in der Medulla, dem N. Ambigualis (AM) und N. Retroambigualis (RAm) (Vicario, 1993; Wild, 1993a,b), sowie auch zu zwei weiteren thalamischen Nuklei, dem posterioren Teil des dorsomedialen thalamischen Nukleus (DMP) und dem medialen Teil des dorsolateralen thalamischen Nukleus (DLM) (Wild, 1993a; Vates et al., 1997). RA-DLM-Projektionsneurone greifen somit wiederum in den Schaltkreis der anterioren Vorderhirnbahn ein. Zur AFP und der prämotorischen Bahn gibt es ein drittes Projektionssystem, welches bereits verarbeitete motorische Information aus dem RA über den thalamischen Nukleus DMP in das Telencephalon wieder einspeist (Abb. 3). Es handelt sich hierbei um die Projektion vom RA zum DMP und von hier zum medialen Teil des lateralen magnocellulären Nukleus des anterioren Neostriatum (mMAN), der wiederum in den HVC projiziert. Innerhalb dieses Schaltkreises kann auch über den DMP zum ipsilateralen und kontralateralen mMAN zu einem geringen Ausmaß interhemisphärische Kommunikation stattfinden (Vates et al., 1997; Foster et al., 1997).

Auf der Ebene des Telencephalons sind für die Gesangskerne keine direkten Verbindungen zwischen den beiden Hemisphären bekannt. Andererseits ist der HVC für die Mustergenerierung der Gesangsstruktur direkt verantwortlich (Vu et al., 1994), so daß sich die Frage stellt, inwiefern eine Kommunikation zwischen den beiden Hemisphären stattfindet, die letztendlich beim Singen für eine wohlkoordinierte Synchronisation der Syrinxmuskeln sorgt (Suthers, 1990). Eine bilaterale Rückkopplungsschleife ins Vorderhirn, die theoretisch seit langem gefordert wird, wurde aufgrund der Konnektivität der rostralen ventrolateralen Medulla (RVL) identifiziert. Die RVL erhält Afferenzen vom N. dorsomedialis (DM), ein Bereich innerhalb des N. intercollicularis (ICO). Der DM wiederum wird vom RA innerviert. Da RVL seine Information sowohl zum ipsi- als auch zum kontralateralen Nucleus Uva schickt, wird somit über den RA eine bilaterale Rückkopplung innerhalb des motorischen Netzwerks für die Gesangskontrolle gewährleistet (Striedter und Vu, 1998). Uva wird aufgrund seiner Lage im caudalen Bereich des posterioren thalamischen Nucleus auch cDLP genannt und ist Ausgangspunkt der prämotorischen Bahn. Die neueren Befunde von multiplen zum Teil geschlossenen Schleifen, wie sie vor allem an Zebrafinken nachgewiesen wurden, bestätigen, daß das bisherige Konzept des Gesangslernens und der Gesangsproduktion als seriell und in Reihe geschalteter Gesangskerne nicht weiter aufrecht gehalten werden kann, sondern durch parallel ablaufende Verarbeitungsmechanismen, wie man sie auch aus anderen Systemen bei Säugern kennt, ersetzt werden muß.

Noch weitgehend unbekannt sind die Verbindungen bei Weibchen, insbesondere bei den Tierarten, bei denen nur die Männchen singen und die Weibchen nicht, wie z.B. dem Zebrafinken. Im erwachsenen Tier sind die Gesangskerne der Weibchen im allgemeinen nur noch rudimentär vorhanden, im juvenilen Tier unterscheiden sie sich aber kaum in ihrer neuronalen Struktur von denen der Männchen. Daher könnten in juvenilen Weibchen auch entsprechende Verbindungen wie bei Männchen vorhanden sein, die dann später wieder abgebaut werden. Lange nahm man an, daß bestimmte Projektionen wie die Verbindung vom HVC zum RA beim Weibchen fehlen. Konishi and Akutagawa (1985) haben anhand radioaktiver Markierungssubstanzen gezeigt, daß in Zebrafinkenweibchen HVC-Axone den RA nicht innervieren, sondern an ihm vorbeiziehen. Neuere Befunde ermittelt mit elektrophysiologischen Methoden in Kombination mit Optical Imaging belegen aber, daß der RA bei Zebrafinkenweibchen doch vom HVC innerviert wird, wenn auch das Innervationsmuster und die Übertragungseigenschaften beim Weibchen sich von denen der Männchen unterscheidet (Wang et al., 1999). In adulten Zebrafinken kann im Lobus olfactorius bei Weibchen keine area X identifiziert werden, weder anhand von Nissl-Färbungen, noch durch andere histochemische Marker (Kirn und DeVoogd, 1989; Bottjer, 1993; Grisham und Arnold, 1994; Wallhäußer-Franke et al., 1995). Allerdings können Fasern aus dem HVC bei Weibchen in eine der area X äquivalenten Region im Lobus parolfactorius beobachtet werden (Simpson und Vicario, 1991a; Herrmann und Arnold, 1991a; Nordeen und Nordeen, 1988). Weitere Untersuchungen zum Projektionsmusters der Gesangsregionen, wie sie bei Männchen beschrieben sind, müssen bei Weibchen noch durchgeführt werden, um anhand der neuronalen Verschaltungen die Rolle des Gesangssystems bei Weibchen besser verstehen zu können.

1.3.5 Funktionelle Bedeutung spezifischer Kernregionen im Gesangssystem

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Anhand von Läsionsstudien wurde die zentrale Bedeutung der Gesangskerne HVC und RA für den Gesangserwerb und für die Aufrechterhaltung der Gesangsstruktur aufgezeigt: Verletzungen von HVC oder RA in juvenilen wie auch in adulten Tieren stören erheblich den motorischen wohlkoordinierten Ablauf beim Singen (Nottebohm et al., 1976, 1982; Simpson und Vicario, 1990). Bei vollständiger Läsion kommt es zu einem völligen Wegfall von Gesangselementen und die Tiere verstummen vollends. Der HVC und seine Afferenzen NIf und Uva, sowie auch der RA und der nXIIts enthalten Neurone, die während des Singens aktiv sind (McCasland und Konishi, 1981; McCasland, 1987; Margoliash, 1986; Williams und Vicario, 1993; Yu und Margoliash, 1996). Chronische Ableitungen zeigen, daß die prämotorische Bahn, einschließlich NIf und Uva, an der unmittelbaren Kontrolle der Gesangsproduktion beteiligt ist (McCasland, 1987; Williams und Vicario, 1993; Vu et al., 1994; Yu und Margoliash, 1996; Theunissen und Doupe, 1998; Janata und Margoliash, 1999). Kurz vor dem eigentlichen Gesangsbeginn kann bereits neuronale Aktivität in NIf gemessen werden; Aktivitäten in HVC, RA und nXIIts folgen in zeitlicher Reihenfolge (Williams, 1985; McCasland, 1987). Fast alle Neurone telencephaler Gesangszentren sind auditorisch. Bei der Suche nach einem auditorischen Eingang in das Gesangssystem konnten direkte und indirekte Eingänge aus den Vorderhirnstrukturen des Feld L zur Shelf-Region des HVCs, sowie zur unmittelbar rostral gelegenen dorsalen Region des RAs identifiziert werden (Kelly und Nottebohm, 1979; Fortune und Margoliash, 1995; Vates et al., 1996; Mello et al., 1998). Interessanterweise sind die meisten Neurone im HVC nicht nur auditorisch, sondern antworten bevorzugt auf komplexe Gesangsstrukturen, vor allem auf den eigenen Gesang (Katz und Gurney, 1981; McCasland, 1987; Margoliash und Fortune, 1992; Lewicke und Konishi, 1995; Theunissen und Doupe, 1998). Im Vergleich zum eigenen Gesang ist die neuronale Antwort auf andere artspezifische Gesänge oder auf den eigenen, aber rückwärts vorgespielten Gesang, nur gering. Diese neuronale Selektivität ist in juvenilen Tieren noch nicht ausgebildet, sondern wird während der Gesangsentwicklung erworben (Volman, 1993) und auf die Zielgebiete des HVCs, also die area X und den RA übertragen (Doupe und Konishi 1991; Vicario und Yohai, 1993). Stimulationsexperimente zeigen, daß der HVC für die präzise zeitliche Abfolge der Gesangselemente verantwortlich ist und als Mustergenerator angesehen werden kann. Werden im HVC Mikrostimulationen während des Singens ausgelöst, so wird der Gesang unmittelbar unterbrochen und das Tier beginnt mit einer neuen Strophe (Vu et al., 1994). Werden solche Mikrostimulationen während des Singens im RA durchgeführt, so kommt es nicht zu einem Abbruch und Neuanfang einer Strophe, sondern lediglich zu einer Störung innerhalb der Strophe, so daß die akustische Struktur einer einzelnen Silbe betroffen ist. Die Aktivitätsmuster extrazellulärer Ableitungen im HVC korrelieren extrem gut mit der zeitlichen Abfolge von Silben und Pausen innerhalb der Gesangsstruktur (=Motiv), wohingegen im RA die Feuerrate von Neuronen eindeutig mit der Silbenstruktur korreliert, nicht aber mit dem Motiv (Yu und Margoliash, 1996). Aufgrund dieser Befunde ist der HVC sehr wahrscheinlich der Ort, wo die Reihenfolge der Silben abgelegt ist. Die akustische Struktur einzelner Silben sollte demzufolge im RA abgespeichert sein.

Ist die prämotorische Bahn für die präzise Ausführung der Gesangsstruktur verantwortlich, so wird der AFP vor allem beim Gesanglernen eine wichtige Rolle zugeordnet. Läsionen oder pharmakologische Inaktivierung von Kernregionen der AFP (area X, LMAN und DLM) in juvenilen Tieren beeinflussen erheblich das Gesanglernen, sowie auch das motorische Muster. Im Gegensatz dazu, haben die gleichen Eingriffe auf die AFP in erwachsenen Tiere, die bereits ein auskristallisiertes Gesangsmuster aufweisen, keinen oder nur sehr geringen Einfluß auf die Aufrechterhaltung der Gesangsstruktur, sowie auf die Gesangsaktivität (Bottjer et al., 1984; Sohrabji et al., 1990; Basham et al., 1996; Scharff et al., 1991, 1998). Eine Studie von Williams und Mehta (1999), in der sowohl bilateral der LMAN als auch der nXIIts läsioniert werden, zeigt allerdings, daß eine der Kernregionen der AFP, der LMAN, in adulten Tieren sehr wahrscheinlich doch eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gesangsstruktur spielt. Läsionen des n. XIIts in adulten Männchen beeinflussen das stereotypen Gesangsmuster (Williams und McKibben, 1992). Diese Gesangsplastizität ist nicht mehr vorhanden, wenn zusätzlich auch noch bilateral der LMAN läsioniert wird. Doya und Sejnowski (1995) vermuten, daß die Speicherung eines Gesangsmusters in einzelnen Kernregionen der AFP selbst stattfindet und daß beides, ein Anpassungsmechanismus wie auch ein Abspeicherungsmechanismus (“template formation“) für das Gesangslernen, gemeinsam in der area X vorhanden sein sollte. Sie vermuten diesen Mechanismus in der area X, da diese Region dopaminergen Eingang aus dem Mittelhirn enthält (Bottjer, 1993). Aktivität dopaminerger Systeme werden in vielen Arten mit Belohnung in Zusammenhang gebracht (Schultz et al., 1993; Wynne und Güntürkün, 1995). So könnte aufgrund von Belohnung auditorisches Lernen in der area X selektiv gesteuert werden, d.h. der Zeitpunkt, wann etwas gelernt wird, wird über die Aktivität des dopaminergen Eingangs genau vorgegeben. Auditorische Information erhält die area X wiederum vom HVC, so daß durch die zeitgleiche Aktivität beider Eingänge das Gesangsmuster in area X-Neuronen abgelegt werden kann. Bestimmte auditorische Signale des Gesangsmusters werden somit selektiv in Form eines Gedächtnisses in der area X abgespeichert. Diese Information könnte dann wiederum über den Thalamus (DLM) in den LMAN eingespeist werden. In adulten Tieren antworten Neurone im HVC, in der area X, sowie im LMAN selektiv auf den eigenen Gesang und diese neuronale Selektivität muß während der Gesangsentwicklung erworben werden (Volman, 1993; Solis und Doupe, 1997; Doupe, 1993, 1997). Nach Doya und Sejnowski (2000) soll während der Gesangsentwicklung die (sich entwickelnde) neuronale Selektivität auditorischer Neurone im HVC lediglich auditorische Erfahrung widerspiegeln, wohingegen die neuronale Selektivität der area X- Neurone auf das spezifische Gesangsmuster abgestimmt ist, was noch erlernt werden muß. Tatsächlich wurden in der area X solche Neurone gefunden, die auf den Tutorgesang antworten, wie auch solche, die selektiv auf den eigenen Gesang antworten (Solis und Doupe, 1997). Doupe und Konishi (1991) postulieren für die AFP einen entwicklungsabhängigen Mechanismus mit dem die Güte der eigenen Vokalisation mit dem abgespeicherten Gesangsmuster verglichen wird. Da auch adulte Zebrafinken zur Aufrechterhaltung ihrer Gesangsstruktur ihren eigenen Gesang hören müssen (Nordeen und Nordeen, 1992a), wird in der AFP ein wichtiger Kontrollmechanismus für die Evaluierung auditorische Rückkopplung gesehen (Doupe et al., 2000). Elektrophysiologische Daten neuronaler Aktivitätsmuster in der AFP (area X und LMAN), die an singenden Vögeln ermittelt wurden, sowie auch an narkotisierten Tieren durch Vorspielen des eigenen Gesangs, lassen vermuten, daß in der AFP sehr wahrscheinlich eine Efferenzkopie prämotorischer Signale vom HVC abgebildet ist und aufgrund dieser Aktivität wiederum modulierenden Einfluß auf die prämotorische Bahn ausgeübt wird (Doupe et al., 2000; Solis und Doupe, 2000).

1.4 Die Fragestellung: Neuronale Korrelate des Gesangslernens bei Zebrafinken.

Eine der wohl spannendsten Fragen, die wir an das Gesangssystem stellen können, ist die Frage, ‘Wo’ und ‘Wie’ ein Gesangsmuster neuronal repräsentiert wird. Welche Gehirnareale sind an der Gedächtnisbildung für eine Gesangsstruktur beteiligt und wie sehen die neuronalen Korrelate für das Gesangslernen aus? Mein besonderes Interesse liegt vor allem in der strukturellen Analyse neuronaler Korrelate des Gesangslernens. Aus der Säugetierliteratur wissen wir, daß Gedächtnis nicht nur im Gehirn vielfach repräsentiert ist, wie es bereits von Hebb (1949) postuliert wurde, sondern vor allem in den Regionen lokalisiert sein sollte, die an den spezifischen Verarbeitungsprozessen der Gedächtnisleistung beteiligt sind, also cerebralen corticale Arealen wie Assoziationsareale und polymodale Regionen (Übersicht in Markowitsch, 2000). Subcorticale und allocorticale Strukturen, insbesondere das limbische System, spielen wiederum bei der Motivation zur Gedächtnisbildung eine besondere Rolle. Auf das Gesangssystem übertragen, bedeutet das, daß auch das Gesangslernen in Form eines Gedächtnis zentral mehrfach repräsentiert sein sollte und daß auch Gesangslernen über Motivationssysteme gesteuert sein sollte. Informationsverarbeitung und Speicherung ist ein aktiver, komplexer Prozess, der sowohl über Umweltreize stimuliert wird, als auch intern vom Gehirn selbst erzeugt werden kann. Im allgemeinen wird die Information von den peripher liegenden Organen über subcorticale Kernregionen zu Cortexarealen transferiert. In verschiedenen Tierexperimenten konnte gezeigt werden, daß bei der Ausbildung eines Gedächtnisses mit den bioelektrischen Veränderungen der elektrophysiologischen Eigenschaften der Zellen auch Veränderungen in der morphologischen Struktur von Neuronen einhergehen. Diese Veränderungen finden vor allem in der neuronalen Konnektivität und der synaptischen Feinstruktur statt und stellen letztendlich das morphologische Substrat für Gedächtnis dar (Shepherd, 1993).

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Auch für das Gesangssystem sollten dementsprechend Gedächtnisleistungen bzgl. des Gesangslernens in der Feinstruktur von Neuronen, sowie ihrer Konnektivität repräsentiert sein. Welche Kernregionen könnten beim Vogel dafür in Betracht gezogen werden? Aufgrund von Läsionsstudien, sowie anatomischen Verbindungen von geschlossenen Schleifen, wie sie auch bei den Basalganglien bei Säugern charakteristisch sind, könnte die anteriore Vorderhirnbahn ein solches neuronales Korrelat repräsentieren (s. auch 1. 3. 5.; Bottjer et al., 1984; Doya und Sejnowski, 2000). Im Vergleich zum Säuger stellt die area X eine striatale Region, der DLM eine thalamische und der LMAN eine corticale Region dar (Bottjer und Johnson, 1997). Für das Gesangssystem der Vögel sollten daher die Gesangskerne der AFP selbst, deren Konnektivität untereinander, sowie an das Gesangssystem assoziierte Gehirnregionen bei der Ausbildung eines Gedächtnisses maßgeblich verantwortlich sein. Seit langem ist bekannt, daß beim Zebrafinken nur die Männchen singen und daß mit diesem Sexualdimorphismus auf der Verhaltensebene auch ein Sexualdimorphismus auf neuronaler Ebene einhergeht. Die Fähigkeit ein komplexes motorisches Programm (Gesang) einzuüben und dieses Verhalten in Form von wohlkoordinierten Muskelbewegungen zu definierten Zeitpunkten, gekoppelt an weitere Faktoren wie dem Motivationszustand, auszuführen, ist bei Zebrafinken nur den Männchen möglich. Bei dem Gesangsverhalten handelt es sich also um ein sexualdimorphes Verhalten und dieser Sexualdimorphismus spiegelt sich auch neuronal in den an diesem Verhalten beteiligten Gehirnregionen wieder.

Daher stellt sich die Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Entwicklung erhalten die Gesangskerne beim Zebrafinken ihre charakteristische sexualdimorphe Ausprägung? Sind die Gehirnregionen bereits vor dem Gesangslernen sexualdimorph oder findet die sexuelle Differenzierung erst zu einem späteren Zeitpunkt in der sensorischen bzw. in der sensomotorischen Phase statt? Weibchen singen zwar nicht, aber sie erwerben auch in früher Jugend ein Gesangsmuster, das sie im Gedächtnis abspeichern (Miller, 1979). Daher könnte die Beantwortung der Frage nach dem Zeitpunkt der sexuellen Differenzierung der Gesangskerne Aufschluß über die Beteiligung von Gesangskernen bei der Gedächtnisbildung von Gesangsstrukturen bei Weibchen liefern. Da die Gesangskerne HVC und RA in adulten Weibchen weitaus kleiner sind als in adulten Männchen und die area X bei Weibchen überhaupt nicht zu sehen ist (Nottebohm und Arnold, 1976), stellte sich mir die Frage, ob dieser Befund generell auch auf andere Kernregionen des Gesangssystems zutrifft und zu welchem Zeitpunkt in der Entwicklung sich letztendlich Unterschiede in der Volumengröße herauskristallisieren? Die Antwort zu diesen Fragen habe ich in Kapitel 2, Abschnitt 2. 1. zusammengefaßt.

Der LMAN der AFP spielt beim Gesangserwerb bei Männchen eine besondere Rolle (Bottjer et al., 1984). Daher haben wir unsere Untersuchungen zur Feinstruktur struktureller Korrelate des Gesangslernens auf diese Gehirnregion konzentriert und in einer detaillierten Entwicklungsstudie anhand verschiedener Parameter mit unterschiedlichen Methoden die neuronale Struktur des LMAN quantitativ erfaßt. Dabei sind wir der Frage nachgegangen, ob und in welchem Ausmaß beim Zebrafinken zwischen den neuronalen Entwicklungsprozessen dieser Gehirnregion und den unterschiedlichen Stadien des Gesangslernens auf der Verhaltensebene ein Zusammenhang aufgezeigt werden kann. In Kapitel 2, Abschnitt 2. 2. werden die Ergebnisse zur cytomorphologischen quantitativen Charakterisierung des LMAN im einzelnen vorgestellt. Der Abschnitt beginnt nach einer kurzen Einführung mit der Darstellung der Entwicklung dendritischer Spines, einer Studie, die ich in Zusammenarbeit mit Frau Dr. Wallhäußer-Franke und Prof. DeVoogd am Golgi-Cox Präparat durchgeführt habe und die erstmals die morphologische Struktur von Neuronen im LMAN vor, während und nach dem Gesangslernen analysiert. Mit meinen elektronenmikroskopischen Befunden wird ein erster Einblick in die synaptische Struktur des LMAN in juvenilen und adulten Tieren gegeben. Dabei konnte ich zu dem von uns aufgezeigten regressiven Entwicklungsverlauf dendritischer Spines auch Veränderungen in der Synapsendichte, sowie der synaptischen Feinstruktur nachweisen. Ein weiterer Punkt der cytomorphologischen Charakterisierung des LMAN beschäftigte sich mit der Entwicklung neuronaler Somata, ging man doch bisher davon aus, daß sich die Zellkörper im LMAN während des Gesangslernens nicht verändern (Bottjer et al., 1985). Da aber unsere Befunde über die Entwicklung dendritischer Spines massive Veränderungen aufzeigten und Literaturdaten über Zellsomata nur unzureichend vorlagen, bin ich der Frage nach dem Zellgrößenwachstum im einzelnen nachgegangen. Aufgrund meiner Ergebnisse ergab sich die Frage, ob mit den von mir nachgewiesenen Veränderungen in der Zellgröße auch Veränderungen in der Neuronendichte auftreten. In einer weiteren Fragestellung sollte die Hypothese überprüft werden, ob der auf der zellulären Ebene nachgewiesene Sexualdimorphismus sich auch auf der Ebene von Nucleoli widerspiegelt, ein Bereich, der bisher völlig vernachlässigt wurde. Im Zusammenhang mit den Nucleoli interessierte ich mich auch für die Lage der Nucleoli im Nucleus (Ekzentrizität), können doch aufgrund der Orientierung des Nucleolus im Nucleus Aussagen zur Zellaktivität gemacht werden. Der Abschnitt zur cytomorphologischen Charakterisierung des LMAN (2. 2.) schließt mit einem Vergleich zum Myelinsierungsprozeß des LMAN beider Geschlechter und dem HVC, um anhand der Myelinisierung Aussagen zur Einschränkung von neuronaler Plastizität in den beiden Kernregionen zu gewinnen. Die Konnektivität des LMAN, sowie des RA wurde anhand intrazellulärer Ableitungen am Hirnschnitt-Präparat untersucht. Die überraschenden Ergebnisse hierzu sind im Abschnitt 2. 3. zusammengefaßt.

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Um die Frage beantworten zu können, ob die während der Entwicklung auftretenden neuronalen Veränderungen auch in einem kausalen Zusammenhang mit dem Gesangslernen zu sehen sind, werden Zebrafinken ohne ein Gesangsvorbild aufgezogen. Da Zebrafinken ihren artspezifischen Gesang nur durch ein entsprechendes Vorbild erlernen können, wird ihnen bei der Aufzucht ohne einen Gesangstutor die Möglichkeit genommen, einen Zebrafinkengesang zu hören und das Gesangsmuster dementsprechend neuronal abzuspeichern. Hierbei wachsen Zebrafinken nur mit ihrer Mutter und ihren Geschwistern gemeinsam auf. Sobald Jungtiere geschlüpft sind, wird der Vater aus dem Nest entfernt. Auch sonst gibt es keine adulten Männchen in den Versuchsräumen. Diese Form der Gesangsdeprivation ist ein sehr milder Eingriff in den Entwicklungsablauf eines Jungtieres. Aber es ist ein entscheidender Einschnitt für die Gesangsentwicklung, denn das Jungtier kann kein adäquates Gesangsmuster hören und somit auch keinen arteigenen Gesang lernen. Die Ergebnisse zu den Veränderungen im Gesangsmuster, sowie den Veränderungen auf der neuronalen Ebene aufgrund dieser spezifischen Aufzuchtbedingung sind in Kapitel 3 zusammengefaßt dargestellt. Inwiefern es im Frequenz- und Zeitmuster zu Störungen kommt, ist in Abschnitt 3.1. dargestellt. Abschnitt 3. 2. stellt die Effekte der Gesangsdeprivation auf das dendritische Verzweigungsmuster und den dendritischen Spines im LMAN dar, die in der Literatur ersten nachgewiesenen morphologischen Effekte von Gesangsdeprivation. Um zu überprüfen, ob auch andere Gesangskerne morphologische Veränderungen aufgrund von Gesangsdeprivation aufweisen, und damit einen Nachweis zu erbringen, daß Gedächtnis auch beim Vogel in verschiedenen Gehirnarealen abgelegt ist, wurde die neuronale Struktur im HVC und RA untersucht. Die Ergebnisse hierzu sind in Abschnitt 3. 3. dargestellt.

Mit diesem vergleichenden entwicklungsbezogenen morphologischen Ansatz dargestellt im Kapitel 2 und Kapitel 3 sollten die prinzipiellen strukturellen Mechanismen herausgearbeitet werden, die für das Gesangslernen von Bedeutung sind. Zusätzlich zu den Studien am Zebrafinken, einem closed-ended learner, haben wir Untersuchungen zur Steroidsensitivität und zum Sexualdimorphismus beim Kanarienvogel, einem open-ended learner, durchgeführt. Dabei stellten wir uns die Frage, welchen Einfluß Testosteron auf die Synaptogenese in Gesangskernen bei Weibchen hat. Mit der Beantwortung dieser Frage haben wir erstmalig in der Literatur nachgewiesen, daß Testosteron eine Zunahme von Synapsen bewirkt und die präsynaptischen Areale vergrößert. Diese Befunde werden in Kapitel 4, Abschnitt 4. 1. näher erläutert. Eine weitere Frage, die sich im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Größe von dem Gesangskern HVC bei Männchen und Weibchen ergab, war die Frage, ob sich beim Kanarienvogel mit der unterschiedlichen Volumengröße auch die Neurone im HVC unterscheiden? Die Vielfalt der Neuronentypen im HVC, sowie ihr Erscheinungsbild bei Männchen und Weibchen wird in Abschnitt 4. 2. beschrieben. Diese grundlegende quantitative morphologische Studie am Kanarienvogel ist auch heute noch interessant und wird für die Klassifizierung von Neuronentypen auch in anderen Vogelarten herangezogen.


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22.11.2006