3 Einfluss der Gesangsdeprivation bei Zebrafinken: verhaltens-biologische und neuroanatomische Untersuchungen.

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Aufgrund der bisher zu postulierenden Mechanismen für Gedächtnis und Lernen bei Säugern ist anzunehmen, daß auch beim Vogel Gedächtnisbildungsprozesse, die für das Gesangslernen notwendig sind, in verschiedenen Gehirnregionen stattfinden (Doya und Sejnowski, 2000). Aus verhaltensbiologischer Sicht findet diese Gedächtnisbildung in früher Jugend statt (Böhner, 1990; Eales 1985). Der anterioren Vorderhinschleife kommt bei diesen Prozessen eine besondere Bedeutung zu (Bottjer et al., 1989; Scharff und Nottebohm, 1991; Scharff et al., 1998; Doupe, 1997; Solis und Doupe 1999). Zebrafinkenmännchen ohne ein akustisches Vorbild (gesangsdeprivierte Tiere) hören keinen Zebrafinkengesang in früher Jugend, so daß in der Akquisitionsphase auch dementsprechend kein adäquates Gesangsmuster in der anterioren Vorderhirnschleife kodiert werden kann. In einem Vergleich zwischen sozial aufgezogenen und gesangsdeprivierten Tieren lassen sich die Effekte eines adäquaten Reizmusters auf verhaltensbiologischer, sowie auf neuronaler Ebene quantifizieren. Um einen Einblick in die Beziehung zwischen genetisch fixierten und erfahrungsabhängigen Faktoren für das Gesangslernen zu bekommen und deren Einfluß auf das neuronale Netzwerk und deren Verschaltung, werden Zebrafinken von Schlupf an ohne ein Gesangsmodell aufgezogen. In diesem experimentellen Ansatz werden junge Zebrafinken ausschließlich von Weibchen aufgezogen. Diese gesangsdeprivierten Zebrafinken können somit kein adäquates Gesangsmodell im Gedächtnis abspeichern, das sie zu einem etwas späteren Zeitpunkt in der Gesangsentwicklung für das motorische Gesangslernen, also dem Einüben des Gesangsmusters, entsprechend abrufen würden. Gesangsdeprivierte Zebrafinken entwickeln unter diesen Bedingungen einen abnormalen Gesang, der sich in vielen Parametern von einem normalen Zebrafinkengesang unterscheidet (Price, 1979; Eales, 1985, 1987; Morrison und Nottebohm, 1993; Williams et al., 1993; Volman und Khanna, 1995; Jones et al., 1996). Dementsprechend sollten die im Gesangsverhalten auftretenden Unterschiede auch im neuronalen Netzwerk Korrelate haben, insbesondere sollten neuronale Unterschiede in der anterioren Vorderhirnschleife zu finden sein. Daher haben wir auf der verhaltensbiologischen Seite die Gesangsentwicklung gesangsdeprivierter Tiere anhand bioakustischer Parameter verfolgt und im einzelnen aufgezeichnet. In einem cytomorphometrischen Ansatz wurde die neuronale Struktur im lateralen magnocellularen Nucleus des anterioren Neostriatum auf zellulärer und synaptischer Ebene untersucht, sowie auch der Einfluß der Gesangsdeprivation auf die neuronale Struktur der Gesangskerne HVC und RA - Kernregionen, die letztendlich im Informationsfluß auch beim Gesangserwerb eine wichtige Rolle spielen (Doupe et al., 2000).

3.1  Störungen im Frequenz- und Zeitmuster des Gesangsrepertoires

Im Rahmen seiner Staatsexamensarbeit (1998) hat Axel Bindrich bei mir bioakustische Parameter gesangsdeprivierter und sozialer adulter Zebrafinken anhand von Sonagrammen in ihrer Frequenz-Zeit-Struktur analysiert. Es ist bekannt, daß Zebrafinkengesang sich aus einzelnen Gesangselementen zusammen setzt, die in einem auskristallisierten Gesang immer in konstanter Reihenfolge erscheinen und als Motiv bezeichnet werden (s. 1. 3. 3). Die Länge eines Motivs ist artspezifisch und liegt bei Zebrafinken zwischen 700 und 800 msec (Sossinka und Böhner, 1980). Da die einzelnen Elemente durch ihre Frequenz-Zeitstruktur charakterisiert sind und sich in ihrem Auftreten innerhalb eines Motivs bei verschiedenen Individuen unterscheiden, besitzt jeder Zebrafink einen ihm eigenen individuellen Gesang (Immelmann, 1969; Slater et al., 1988). In Abbildung 21 ist zum Vergleich ein Sonagramm eines sozial aufgewachsenen Tieres und das eines gesangsdeprivierten Tieres dargestellt. In unseren Untersuchungen zeigte sich, daß das Gesangsmuster gesangsdeprivierter Zebrafinken sich signifikant von normal aufgezogenen Tieren unterscheidet: gesangsdeprivierte Tiere weisen signifikant weniger Elemente auf (37 %), die Motivdauer ist doppelt so lang und die Periodendauer des Motivs fast dreimal so lang wie bei sozialen Tieren (Abb. 22). Bei der Klassifizierung der Gesangselemente hinsichtlich ihres Frequenz-Zeit-Musters konnten sie in Klick-, Noten- (komplexe Elemente) und Geräusch-Charakter eingeteilt werden. Die Elemente selbst hatten eher Klick- und Geräuschcharakter. In den von uns untersuchten gesangsdeprivierten Tieren waren die einzelnen Gesangselemente länger und enthielten oft mehr Klick-Laute als in sozialen Gesängen, ein Befund, wie er auch in anderen gesangsdeprivierten Tieren nachgewiesen wurde (Volman und Khanna, 1993; Williams et al., 1993; Jones et al., 1996). Interessanterweise findet man Einleitungselemente, wie sie für den Zebrafinkengesang typisch sind (Sossinka und Böhner, 1980), auch in gesangsdeprivierten Tieren, so daß sich hier die Frage stellt, ob Einleitungselemente genetisch fixiert sind. Unsere quantitative Analyse zeigte, daß die Dauer und die Periodendauer eines Einleitungselementes in gesangsdeprivierten Tieren signifikant länger ist als in sozialen (79±8 msec vs. 52±7 msec). Daher ist anzunehmen, daß auch Einleitungselemente erlernt werden müssen, ihre Position zu Beginn einer Gesangsabfolge aber eine Prädisposition darstellt, da die von uns

Abb. 21.: Sonagramm von Zebrafinken zur Darstellung der Effekte von Gesangsdeprivation auf die Gesangsstruktur. Obere Abbildung: auskristallisierte Gesangsstruktur eines sozial aufgewachsenen Zebrafinkenmännchens. Untere Abbildung: Gesangsdepriviertes Männchen mit stark veränderter Gesangsstruktur. Die Quantifizierung der einzelnen Parameter ist in Abbildung 22 dargestellt.
(aus: Nixdorf-Bergweiler, Bindrich und Frommolt, 1999)

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untersuchten gesangsdeprivierten Zebrafinken alle ein Einleitungselement aufweisen (Nixdorf-Bergweiler, Bindrich und Frommolt, 1999). Für das Gesangssystem gibt es inzwischen zahlreiche Untersuchungen an verschiedenen Arten, die Zusammenhänge zwischen neuronaler Struktur und dem Gesangsverhalten in adulten Tieren aufzeigen, wenngleich einige dieser Ergebnisse auch widersprüchlich erscheinen (s. 2. 1). Es ist anzunehmen, daß auch die Verhaltensunterschiede in gesangsdeprivierten Tieren sich letztendlich in strukturellen Unterschiede widerspiegeln sollte. Für einen solchen Zusammenhang sei als Beispiel die Motivlänge genannt. Es ist bekannt, daß der HVC als Mustergenerator wirkt: kurze Stromreize im Millisekundenbereich im HVC während einer Gesangsdarbietung brechen den Gesang unmittelbar ab und das Tier beginnt seine Gesangssequenz wieder von vorne (Vu et al., 1994). Demnach sollte die Verschaltung im HVC bei gesangsdeprivierten Tieren entsprechend verändert sein und diese Veränderung sollte auch morphologisch meßbar sein.

Abb. 22: Quantifizierung der Effekte von Gesangsdeprivation auf die Gesangsstruktur. Zebrafinken, die ohne einen Tutor aufwachsen müssen, haben einen sehr variablen Gesang, dem vor allem die starre Anordnung der Elemente im Motiv fehlt. Dieser Gesang enthält auch weitaus weniger Elemente und die einzelnen Elemente sind nicht immer so stabil, wie es von sozial aufgewachsenen Tieren her bekannt ist.
(aus: Nixdorf-Bergweiler, Bindrich und Frommolt, 1999)

3.2 uswirkungen der Gesangsdeprivation auf das dendritische Verzweigungsmuster von Neuronen und synaptischen Kontakten im LMAN als erster Nachweis eines morphologisch identifizierten neuronalen Korrelats des Gesangslernens.

Der Aufbau neuronaler Schaltkreise wird ultimativ in der Ausbildung von synaptischen Verbindungen realisiert. Dabei stellt sich die Frage für das Gesangssystem, inwiefern und in welchem Ausmaß synaptische Plastizität während der Gesangsentwicklung auftritt. Dazu wurde im LMAN bei Männchen, wie bereits beschrieben (2.2) anhand von Golgi-Cox imprägnierten Neuronen die Entwicklung dendritischer Spines vor, während und nach dem Gesangslernen quantifiziert. Diese Ergebnisse zeigten, daß während der sensomotorischen Phase des Gesangslernens eine Reduktion synaptischer Kontakte (dendritischer Spines) stattfindet (Nixdorf-Bergweiler, Wallhäusser-Franke und DeVoogd, 1995). Dass dieser Befund tatsächlich in einem kausalen Zusammenhang zum Gesangslernen steht, konnte in einem Versuchsansatz gezeigt werden, in dem Zebrafinkenmännchen ohne ein Gesangsmodell aufgewachsen sind. Das Auftreten dendritischer Spines an LMAN-Neuronen wurde sowohl bei Weibchen als auch bei Männchen in vier verschiedener Gruppen untersucht: (A) gesangsdeprivierte Männchen, also Zebrafinken. die ohne erwachsenen Tutor aufgewachsen sind, wie auch (B) gesangsdeprivierte Weibchen, (C) sozial gehaltene

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Abb. 23: Camera-Lucida-Zeichnungen von Neuronen im LMAN, die zahlreiche Dornenfortsätze (Spines) aufweisen und den größten Teil der Neuronenpopulation im LMAN ausmachen (Golgi-Cox imprägnierte Neurone 55-Tage alter Zebrafinken). In gesangsdeprivierten Männchen (male song depr.) ist der Spinebesatz an Dendriten der LMAN Neurone weitaus höher als in Zebrafinkenmännchen, die gemeinsam mit einem Tutor aufgewachsen sind (male social). Soziale Tiere haben größere Spineköpfchen und kürzere Spinehälse als gesangsdeprivierte Männchen. Das untere Neuron zeigt den hohen Spinebesatz bei sozialen, gesangserfahrenen Weibchen (female social). Die Neurone der Weibchen haben kleinere Zellkörper und weniger, sowie dünnere Dendriten als die Neurone der Männchen.
(aus: Wallhäusser-Franke, Nixdorf-Bergweiler und DeVoogd, 1995)

Männchen mit einem Gesangsvorbild und (D) sozial gehaltene Weibchen. Das Alter der Tiere betrug 55 Tage und repräsentiert somit für die Gruppe der sozialen Tiere eine Altersgruppe, in der die Gedächtnisbildungsphase für eine Musterniederlegung einer Gesangsstruktur, die von einem Tutor erworben wird, abgeschlossen sein sollte (Übersicht in Nottebohm, 1993; Nordeen und Nordeen, 1997). Andererseits sollten die deprivierten Tiere noch in der Lage sein, einen Gesang zu erwerben (Eales, 1987). Verschiedene neuronale Parameter wurden im LMAN quantifiziert. In der Gesamtlänge der Dendriten (Summe aller Dendritensegmente eines Neurons) konnte zwischen den vier Gruppen kein Unterschied festgestellt werden.

Abb. 24: Anzahl dendritischer Spines entlang eines Dendriten von LMAN-Neuronen in Zebrafinkenmännchen, die mit einem Tutor, also einem Gesangsmodell aufgewachsen sind (social). Im Vergleich dazu ist die Anzahl dendritischer Spines von Zebrafinken aufgetragen, die kein Gesangsmodell in ihrer Entwicklung hören konnten (song deprived, gesangsdepriviert). Gesangsdeprivierte Tiere weisen einen höheren Spinebesatz pro 10 µm Dendritensegment entlang des gesamten Dendriten auf als soziale Tiere.
(verändert nach: Wallhäusser-Franke, Nixdorf-Bergweiler und DeVoogd, 1995)

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Jedoch gab es einen signifikanten Unterschied in dem Auftreten von dendritischen Spines zwischen sozialen und gesangsdeprivierten Männchen: Sozial gehaltene Männchen hatten 41 % weniger Spines pro Dendritensegment als gesangsdeprivierte Tiere, deren hohe Spinefrequenz der von sozial und gesangsdeprivierten Weibchen entsprach (Abb. 23, 24). Die Befunde der niedrigen Spinefrequenz lassen sich gut mit der Synapsenselektionshypothese erklären (Changeux und Danchin, 1976). Da in sozialen Tieren während der Gesangsentwicklung die Anzahl der dendritischen Spines entlang eines Dendriten abnimmt (Nixdorf-Bergweiler, Wallhäusser-Franke und DeVoogd, 1995), kann geschlossen werden, daß eine Veränderung der Feinstruktur der axonalen Verbindungen zum LMAN nur dann eintritt, wenn in das neurale System während der Entwicklung entsprechende Information einfließt (i.e. stereotyper Zebrafinkengesang). Fehlt diese Information, so kommt es nicht zur „Ausdifferenzierung“ der axonalen Verbindungen. Entsprechende Synapsen können nicht abgebaut und andere gefestigt werden, so daß die erhöhte Spinefrequenz gesangsdeprivierter Tiere als Folge des fehlenden sensorischen Eingangs anzusehen ist. In einem anderen Tiermodell der akustischen Nachlaufprägung beim Haushuhnküken (Gallus domesticus) kommt es ebenso zu einer Spinereduktion während des Prägungsvorgangs und diese Spinereduktion findet im medialen Teil des rostralen Neostriatum/Hyperstriatum ventrale statt, dem MNH (Wallhäusser und Scheich, 1987; Scheich et al., 1991), sowie im dorsocaudal

neostriatum, einem multimodalen Integrationsareal, das mit dem parietotemporalen Assoziationscortex bei Säugern verglichen werden kann (Bock und Braun, 1999). Auch bei der sexuellen Prägung bei Zebrafinken kommt es zu einer Abnahme dendritischer Spines in prägungsrelevanten Arealen (Rollenhagen und Bischof, 1996, 1998). Somit kann die Synapsenselektionshypothese auch auf verschiedene Lernmodelle angewendet werden (Übersicht bei Bischof, 1997).

Abb. 25: Dendritische Spinefrequenz von Golgi-imprägnierten Neuronen 55-Tage alter Zebrafinkenmännchen außerhalb der Kernregion LMAN im umliegenden Neostriatum. Die Quantifizierung der dendritischen Spinefrequenz im umliegenden Neostriatum weist keine Unterschiede in den Spinefrequenzen gesangs-deprivierter und sozialer Tiere auf: die Effekte der Gesangsdeprivation im Neostriatum sind spezifisch im LMAN lokalisiert.
(aus: Kreck und Nixdorf-Bergweiler, unveröffentlicht)

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Die Effekte der akustischen Deprivation sollten spezifisch nur in den an den Lernvorgängen beteiligten Regionen stattfinden. Um das zu überprüfen, wurde eine quantitative Analyse benachbarter Gehirnregionen im Neostriatum an den 55 Tage alten Zebrafinken der Golgi-Studie durchgeführt (G. Kreck und B.E. Nixdorf-Bergweiler, unveröffentlicht). Die Anzahl der Spines wurde mit der Neurolucida entlang des gesamten Dendriten ausgezählt und auf jeweils 20 µm Abschnitte eines Dendriten bestimmt. Unsere Datenanalyse an 70 Dendriten an 41 Neurone bei jeweils 3 sozialen und 3 gesangsisolierten Tieren, zeigte, daß es im Neostriatum außerhalb des LMANs keinen Unterschied in der Spinefrequenz zwischen sozialen und gesangsisolierten Tieren (8.2±3.2 Spines vs 8.4±3.7 Spines pro 10 µm Dendritensegment) gibt (Abb. 25).

3.3 Effekte der Gesangsdeprivation auf die neuronale Organisation der anterioren Vorderhirnschleife: Weitere morphologische Belege für neuronale Korrelate des Gesangslernens

Ein erster Beitrag zu einem neuronalen Korrelat von Lernprozessen während der Akquisitionsphase wurde für den Nukleus lateralis magnocellularis des anterioren Neostriatum (LMAN) auf morphologischer Ebene nachgewiesen (Nixdorf-Bergweiler, Wallhäusser-Franke und DeVoogd, 1995; Wallhäußer-Franke, Nixdorf-Bergweiler und DeVoogd, 1995). Es stellt sich somit die Frage, welche weitere Kernregion des Gesangssystems an der Gedächtnisbildung beteiligt sind. Da der LMAN ein Kern der anterioren Vorderhirnschleife ist, lag die Vermutung nahe, daß auch die anderen Gehirnstrukturen dieser Bahn, insbesondere die Area X und der DLM, an Lernprozesse beteiligt sind (Doya und Sejnowski, 2000). Dies galt anhand der Untersuchung morphologischer Parameter zu überprüfen.

Der Befund, daß bei gesangsdeprivierten Zebrafinkenmännchen die Häufigkeit dendritischer Spines im LMAN während der Gesangsentwicklung nicht abnimmt wie in sozial aufwachsenden Tieren, weist auf einen kausalen Zusammenhang zwischen adäquaten Reizmuster und Gedächtnisbildungsphase (Akquisitionsphase) hin. Während der Akquisitionsphase wird das Gesangsmuster eines Tutors in zentrale Schaltkreise oder auch in Mikroschaltungen innerhalb einer Kernregion wie z.B. dem LMAN abgelegt und diese eingehende Information sollte sich letztendlich in morphologisch erkennbare Veränderungen der Synapsenstruktur manifestierten. Die Gedächtnisbildungsprozesse finden sowohl bei Männchen als auch bei Weibchen statt, denn auch Weibchen erlernen in früher Jugend nicht nur den Gesang ihrer Art zu erkennen, sondern können spätestens bei der Geschlechtsreife auch verschiedene Zebrafinkengesänge voneinander unterscheiden (Miller, 1979). In der Literatur gibt es Hinweise, daß bei Weibchen der LMAN bei dieser Gedächtnisbildung eine wichtige Rolle spielt (Cleal et al., 1996; DeVoogd et al., 1996). Unsere Untersuchungen zur dendritischen Spinefrequenz zeigen allerdings, daß die Anzahl der Spines pro Dendrit in 55-tägigen sozial aufgezogenen Weibchen (mit Tutor) sich nicht von der Spinefrequenz gesangsdeprivierter Weibchen unterscheidet (Wallhäußer-Franke, Nixdorf-Bergweiler und DeVoogd, 1995). Daher bleibt zu untersuchen, ob die auch bei Weibchen zu erwartenden morphologischen Unterschiede zwischen sozial aufgezognenen und gesangsdeprivierten Tieren sich in anderen neuronalen Parametern widerspiegeln oder andere Kernregionen involvieren.

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Sowohl für Männchen wie auch für Weibchen konnte Viola Hintz im Rahmen ihrer im Abschluß befindlichen Doktorarbeit zeigen, daß Gesangsdeprivation einen Einfluß auf die Größe von Gesangskernen hat, die Effekte aber geschechtspezifisch sind. In gesangsdeprivierten Männchen ist der HVC 22 % kleiner, der DLM dagegen um 32 % größer als in sozialen Tieren (Abb. 26) (Nixdorf-Bergweiler, Bindrich, Freyer und Hintz., 1999). Ein Vergleich des kleineren HVC-Volumens mit Volumina juveniler Stadien zeigt, daß das HVC-Volumen gesangsisolierter Tiere dem Entwicklungsstand von 30-tägigen sozial aufgewachsaener Zebrafinken entspricht (Nixdorf-Bergweiler, 1996). Demnach hat der HVC sein adultes Volumen nicht erreicht, sondern ist auf einem frühen Entwicklungsstand stehengeblieben. Für das DLM-Volumen haben Johnson und Bottjer (1992) gezeigt, daß das Volumen des DLM zwischen 20 und 35 Lebenstagen um 30 % kleiner wird und seinen Adultwert erreicht. Daher könnte das größere DLM-Volumen gesangsdeprivierter Zebrafinkenmännchen ebenso einen verzögerten Entwicklungsstand repräsentieren, da in diesen Tieren die Volumenabnahme nicht erfolgt. Mit den Schrumpfungsprozessen kommt es gleichzeitig zu einer Erhöhung der Neuronendichte, so daß die Gesamtneuronenanzahl im DLM sozialer Tieren unverändert bleibt (Johnson und Bottjer, 1992). In gesangsdeprivierten Tieren könnten somit Unterschiede in der Neuronendichte vorzufinden sein, was noch zu

Abb. 26: Effekte von Gesangsdeprivation auf die Größe der Kernregionen HVc, area X, DLM, LMAN und RA der anterioren Vorderhirnschleife, sowie der Kontrollregion N. Rotundus (visuelles Projektionsareal) sozial aufgewachsener adulter männlicher Zebrafinken (sozial) und Zebrafinken, die ohne Gesangsvorbild aufgewachsen sind (depriviert).
(aus: Nixdorf-Bergweiler, Bindrich, Freyer und Hintz, 1999)

untersuchen wäre. In dem prämotorischen Nucleus RA liegt die Neuronendichte in gesangsdeprivierten Männchen um 37 % höher als in sozialen. Da sich die RA-Volumen zwischen den untersuchten Gruppen nicht unterscheiden, ist somit die Gesamtanzahl der Neuronen in gesangsdeprivierten Tieren um 24 % höher (V. Hintz, persönliche Mitteilung). Im LMAN konnten weder im Volumen, noch in der Zellgröße, noch in der Zelldichte Unterschiede zwischen gesangsdeprivierten und sozial aufgezogenen Tieren entdeckt werden, auch gibt es keinen Unterschied im Vorkommen der CLA-Nuceloli, die in sozial aufgewachsenen Männchen ebenso zahlreich vorhanden sind wie in gesangsdeprivierten Tieren (58.5±3.6 % vs. 65.8±3.8 %) (Freyer und Nixdorf-Bergweiler, 1998). Damit ist von der morphologischen Seite her betrachtet, der Einfluß von Gesangsdeprivation im LMAN vor allem in den synaptischen Verbindungen zu finden (Wallhäußer-Franke, Nixdorf-Bergweiler und DeVoogd, 1995). Allerdings ist nicht bekannt, ob die dendritische Spinefrequenz auch noch in gesangsdeprivierten adulten Tieren erhöht vorliegt, wie es für 55-tägige gesangsdeprivierte Tiere gezeigt wurde. Es ist eher anzunehmen, daß in einem weitaus späteren Stadium die Spinefrequenz sich letztendlich reduziert, da in anderen Systemen mit ähnlichen neuronalen Mechanismen für Lernvorgängen die dendritische Spinefrequenz auf einen niedrigeren Wert abfällt (Wallhäusser und Scheich, 1987; Scheich et al., 1991; Bischof, 1997; Bock und Braun, 1999). Insofern kommt den gemessenen Effekten der Gesangsdeprivation auf die Kernregionen der prämotorischen Bahn, HVC und RA, eine besondere Bedeutung zu, da sie auch noch im adulten Tier zu finden sind und sehr wahrscheinlich dauerhaft vorliegen.

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Ein kleineres HVC-Volumen könnte sehr wahrscheinlich mit einer geringeren Gesangsaktivität verbunden sein. Unterstützt wird diese Hypothese durch die Beobachtung, daß gesangsdeprivierte Tiere im allgemeinen nur sehr wenig singen (A. Bindrich, unveröffentlicht). Zum anderen beträgt das HVC-Volumen gesangsdeprivierter Männchen nur die Größe von 30-tägigen sozialen Tieren, bei denen das motorische Einüben von Gesangsstrukturen ganz am Anfang steht (Immelmann, 1969; Eales, 1985; Böhner, 1990). Auf den ersten Blick mag es überraschend sein, daß im HVC keine zellulären Effekte zu messen sind, obwohl sich das Volumen um 22 % verkleinert. Wenn es keine Unterschiede in der Zellgröße bzw. Zelldichte gibt, dann könnten Unterschiede in der Myelinisierung oder im Neuropil zu finden sein, die letztendlich für ein kleineres Volumen verantwortlich sind, was zu überprüfen wäre. Wie lassen sich die Effekte im RA erklären? Der RA erhält seine Information vom HVC, sowie auch vom LMAN. Da im LMAN keine signifikanten Unterschiede in der Zelldichte, wie auch in der Gesamtneuronenzahl gemessen worden sind, sollten die Verbindungen zum RA sich nicht von denen sozialer Tiere unterscheiden. Damit könnten die im RA gemessenen Effekte auf ein verändertes Innervationsmuster des HVC zurückzuführen sein. Warum sollte dieses Innervationsmuster verändert sein, wenn doch die Neuronenanzahl im HVC unverändert bleibt? Im HVC gibt es zwei Projektionsneuronen-pools: HVC-Neurone, die in den RA projizieren und HVC-Neurone, die in die area X projizieren. Diese Neurone unterscheiden sich nicht nur morphologisch, sondern auch in ihren physiologischen Eigenschaften (Nixdorf, Davis und DeVoogd, 1989; Fortune and Margoliash, 1995; Benton et al., 1998; Dutar et al., 1998; Kubota und Taniguchi, 1998; Schmidt and Perkel, 1998). Ein weiterer großer Unterschied zwischen diesen Neuronenpools besteht in der Fähigkeit zur Neurogenese. Während HVC-area X Pojektionsneurone fast ausschließlich embryonal gebildet werden, werden HVC-RA Projektionsneurone zeitlebens gebildet (Nordeen und Nordeen, 1988; Alvarez-Buylla et al., 1988, 1990, 1992; Gahr, 1990; Kirn et al., 1991, 1999; Kirn und Nottebohm, 1993; Alvarez-Buylla und Kirn, 1997). Aufgrund der unterschiedlichen Neuronenpopulationen und ihrer unterschiedlichen Fähigkeit zur Neurogenese, könnten insbesondere die HVC-RA Projektionsneurone von der Gesangsdeprivation betroffen sein, indem sie ihre Neurogeneserate verändern, was wiederum Einfluß auf das Innervationsmuster auf den RA hat. In vertäubten Zebrafinken wurde ein spezifischer Einfluß auf die Neurogenese der HVC-RA Projektionsneurone im HVC nachgewiesen (Wang et al., 1999). Vertäubung veränderte die dynamischen Prozesse von Zelltod und Neurogenese derart, daß die Neubildung von Zellen verlangsamt und die Überlebenszeit einzelner Neurone verlängert wird - die Gesamtanzahl der Neurone aber konstant bleibt (Burek et al., 1991). Da auch im HVC keine Veränderung in der Zellzahl bei Gesangsdeprivation zu erkennen ist, könnten Modifikationen in der Neurogeneserate die Veränderungen im RA hervorrufen. Es wird vermutet, daß der Einbau neugebildeter Nervenzellen in ein vorhandenes neuronales Netzwerk über zuvor stattfindenden Zelltod reguliert wird (Kirn et al., 1994). Untersuchungen der beiden Neuronepopulationen im HVC (HVC-area X Projektionsneurone und HVC-RA Projektionsneurone), die selektiv aus dem Netzwerk ausgeschaltet wurden und eine anschließende Quantifizierung neugebildeter Zellen in den beiden Neuronenpopulationen weisen auf einen kausalen Zusammenhang zwischen Zelltodrate und Neurogenese hin (Scharff et al., 2000).

Der RA ist charakterisiert durch Projektionsneurone und eine große Anzahl von Interneuronen. Er erreicht sein Adultvolumen indem sich seine Neurone während des Gesangslernens vergrößern und sich voneinander weiter entfernen (Konishi und Akutagawa, 1987; Kirn und DeVoogd, 1989). Inwiefern an diesen Prozessen auch Interneurone beteiligt sind ist noch unbekannt. Postnatale Neurogenese, wie sie fast überall im Telencephalon bei Vögeln auch noch im erwachsenen Tier zu finden ist, ist im RA so gut wie nicht vorhanden (Kirn und DeVoogd, 1989). Die beobachtete erhöhte Zelldichte in gesangsdeprivierten Zebrafinkenmännchen läßt sich somit durch erhöhte Neurogenese nicht erklären. Auch ist ein Einfluß der Gesangsdeprivation auf die Neurogenese in sehr frühen Entwicklungsstadien auszuschließen, indem z.B. Neurone in das neuronale Netzwerk im RA über einen weitaus längeren Zeitraum eingebaut werden könnten als normalerweise, da eine hohe Neurogeneserate bereits um den 6. Tag nach dem Schlupf endet (Kirn und DeVoogd, 1989). In sozialen Tieren nimmt die Zelldichte bei wachsendem RA-Volumen, größere werdenden Zellsomata und konstant bleibender Zellzahl notwendigerweise ab (Konishi und Akutagawa, 1985). In gesangsdeprivierten Tieren bleibt dieser Entwicklungsprozeß aus - die Zelldichte ist gegenüber sozialen Tieren weiterhin erhöht. Da die Zelltodrate im RA um den 30. Tag bei sozialen Männchen rapide abnimmt, könnte aufgrund des veränderten Innervationsmusters vom HVC zum RA, die Neuronenpopulationen im RA unterschiedlich betroffen sein und die Zelltodrate beeinflussen, d.h. reduzieren. So könnte man sich vorstellen, daß in gesangsdeprivierten Tieren das Gleichgewicht von Projektionsneuronen und Interneuronen im RA gestört ist und so auf die akustischen Veränderungen in der Gesangsstruktur einwirken. Da die Interneurone im RA fast ausschließlich GABAerg sind (Spiro et al., 1999), könnte eine zu geringe bzw. nichtadäquate Innervation die in gesangsdeprivierten Tieren beobachtete veränderte Frequenzstruktur verursachen. Der kleinere HVC, der für die Generierung der Motive verantwortlich ist (Vu et al., 1994), könnte aufgrund seiner geringeren Größe an den extrem langandauerden Motiven in gesangsdeprivierten Tieren beteiligt sein. Somit könnten spezifische Effekte der Gesangsdeprivation unterschiedlichen morphologischen Strukturen zugeordnet werden, die wiederum sich gegenseitig beeinflussen.

Interessanterweise ist auch in gesangsdeprivierten Weibchen die Zelldichte im RA erhöht (42 %) (Hintz, Kreck und Nixdorf-Bergweiler, 1999). Auch hier gilt, daß eine Veränderung in der Neurogeneserate per se die erhöhte Zellzahl nicht erklären kann. Vielmehr läßt sich die erhöhte Zelldichte im RA zum Teil aufgrund der Volumenverkleinerung erklären, da gesangsdeprivierte Weibchen nur einen halb so großen

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Abb. 27: Nissl-gefärbte Vibratomschnitte vom Nucleus robustus archistriatalis adulter weiblicher Zebrafinken (Sagittalschnitte, 100 µm dick). Weibchen, die ohne Zebrafinkengesang aufwachsen, weisen weitaus kleinere RA-Anschnittsflächen auf als soziale Tiere, die in ihrer gesamten Jugendentwicklung Zebrafinkengesang gehört haben.

RA aufweisen wie soziale. Dieser Volumenunterschied ist bereits in den Anschnittsflächen des RAs zu erkennen (Abb. 27). Auch sind die Zellsomata und Zellnuclei in gesangsdeprivierten Weibchen signifikant kleiner als in sozialen (Abb. 28). Damit haben soziale Zebrafinkenweibchen nicht nur einen größeren RA und größere Somata, sondern auch insgesamt 70 % mehr Neurone als gesangsdeprivierte Weibchen (Hintz, Kreck und Nixdorf-Bergweiler, 1999). In den Gesangskernen HVC und LMAN konnten keine Effekte der Gesangsdeprivation bei Weibchen gemessen werden. Die Befunde am RA sind insofern überraschend, da diese Kernregion bei Weibchen bisher nicht mit spezifischen Funktionen des Gesangssystems in Verbindung gebracht wurde, wohl aber der LMAN und der HVC wie Arbeiten auch an anderen Arten bestätigen (DeVoogd et al., 1996; Brenowitz et al., 1991; Hamilton et al., 1997; del Negro et al., 1998). Überraschend waren die Befunde im RA bei Weibchen auch insofern, da der RA als prämotorischer Kern bekannt ist, der bei Männchen

Abb. 28: Effekte der Gesangsdeprivation auf die neuronale Organisation des RA bei Weibchen. In gesangsdeprivierten Tieren ist der RA kleiner, die Zelldichte höher und die neuronalen Zellkörper sind kleiner als in sozial aufgewachsenen Tieren.
(aus: Hintz, Kreck und Nixdorf-Bergweiler, 1999)

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für die Produktion erworbener Gesangsstrukturen eine entscheidende Rolle spielt. Da im Gesangsverhalten ein besonders starker Sexualdimorphismus für Zebrafinken vorliegt - Zebrafinkenweibchen besitzen lediglich ein Rufrepertoire, sie singen nicht - wurden die kleineren Größen der Gesangsareale auf die fehlenden motorischen Fertigkeiten zurückgeführt. In den gesangsdeprivierten Weibchen liegen dagegen noch weitaus kleinere RA-Volumen vor, da die Neurone in RA in gesangsdeprivierten Weibchen weitaus mehr schrumpfen als in sozialen, so daß auch die Neuronendichte im RA in gesangsdeprivierten Tieren sich stark erhöht. Daher ist der Nachweis der Effekte von Gesangsdeprivation im RA bei Weibchen von besonderem Interesse, ist es doch der erste Nachweis einer unmittelbaren Beteiligung dieses Gesangskerns im Zusammenhang mit spezifischen Lernprozessen bei Weibchen, der zeigt, daß der RA auch bei Weibchen in das neuronale Netzwerk für Gesangslernen (sensorisches Lernen) integriert ist.


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22.11.2006