Dr. rer. nat. Barbara Emilie Nixdorf-Bergweiler, geb. Nixdorf: STRUKTURELLE KORRELATE DES GESANGSLERNENS BEI VÖGELN: Eine entwicklungsbiologische cytomorphometrische Analyse unter besonderer Berücksichtigung telencephaler Zentren |
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STRUKTURELLE KORRELATE DES GESANGSLERNENS BEI VÖGELN:
Eine entwicklungsbiologische cytomorphometrische Analyse unter besonderer Berücksichtigung telencephaler Zentren
HABILITATIONSSCHRIFT
zur Erlangung der Lehrbefähigung
für das Fach Zoologie
vorgelegt dem Fakultätsrat
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dr. rer. nat. Barbara Emilie
Nixdorf-Bergweiler, geb. Nixdorf
geb. am 27. Oktober 1952 in Detmold
Prof. Dr. Dr. h.c. Hans Meyer
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Dekan: Prof. Dr. B. Ronacher
Berlin, den 19. 07. 2000
Öffentlich-wissenschaftlicher Vortrag am: 18. 07. 2001
Gutachter:
1. Prof. Dr. Harald Saumweber
2. Prof. Dr. Onur Güntürkün
3. Prof. Arthur P. Arnold, Ph.D
ZUSAMMENFASSUNG
In der Arbeit werden anhand neuroanatomischer und elektrophysiologischer Techniken neuronale Korrelate zum Gesangslernen bei Vögeln untersucht. Das erste Kapitel dient der allgemeinen Einführung in die Thematik und soll das Gesangssystem der Vögel als ein Modellsystem vorstellen, mit dem Fragen zu neuronalen Entwicklungsmechanismen untersucht werden können, die letztendlich Grundlage biologisch relevanter Verhaltensweisen bilden.
Im zweiten Kapitel wird mit verschiedenen cytomorphometrischen Methoden die Entwicklung verschiedener neuronaler Parameter vor, während und nach dem Gesangslernen erfaßt. Bei diesen licht- und elektronenmikroskopischen Untersuchungen telencephaler Gesangskerne wurde vor allem der laterale magnocellulare Nucleus des anterioren Neostriatums (LMAN) analysiert, der wesentlich am Gesangslernen beteiligt sein soll. Mit diesen Befunden, dargestellt in Abschnitt 2. 2., sollen Zusammenhänge zwischen neuronalen Parametern und Lernprozessen aufgezeigt werden. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß im LMAN fast alle untersuchten Parameter mit dem 60. Tag ihren Adultwert erreicht haben, zu einem Zeitpunkt also, an dem die Gedächtnisbildungsphase abgeschlossen und die senso-motorische Phase auf ihrem Höhepunkt ist. Andererseits verringert sich die Anzahl dendritischer Spines (entlang eines Dendriten) weiter und eine Zunahme an Myelin ist ebenso auch noch nach dem 60. Tag im LMAN meßbar, was dafür spricht, daß neuronale Plastizität bis ins Adultstadium aufrechterhalten wird. Bei der Untersuchung der neuronalen Konnektivität adulter Zebrafinken am in vitro Hirnschnittpräparat konnten wir mit elektrophysiologischen Techniken eine neue Projektion vom LMAN in die area X bei Männchen identifizieren. Anhand von Tracerstudien konnte eine solche Projektion am Hirnschnittpräparat auch bei Weibchen nachgewiesen werden. Ebenso wurden für den RA neue Verbindungen aufgezeigt, Befunde, die in Abschnitt 2. 3. dargestellt sind.
Um den Einfluß auditorischer Erfahrung auf die neuronale Entwicklung zu untersuchen, wurden Tiere ohne ein Gesangsvorbild aufgezogen (gesangsdeprivierte Zebrafinken). Die Ergebnisse hierzu sind in Kapitel 3 dargestellt. Der Gesang solcher deprivierter Tiere unterscheidet sich hinsichtlich der Frequenz-Zeit-Struktur von normalem Zebrafinkengesang. Die Positionierung der Einleitungselemente zu Beginn einer Strophe kann als eine genetische Prädisposition angesehen werden, die Zeitstruktur eines Einleitungselements muß dagegen erlernt werden, da Gesangsdeprivation einen signifikanten Effekt auf die Dauer und Periodendauer des Einleitungselements aufweist. Auch auf neuronaler Ebene unterscheiden sich gesangsdeprivierte Tiere von normal aufgezogenen Tieren. In Abschnitt 3. 2 wird gezeigt, daß in gesangsdeprivierten Zebrafinkenmännchen die Anzahl dendritischer Spines im LMAN während der Gesangsentwicklungsphase nicht abnimmt wie wir es für sozial aufwachsende Tiere nachgewiesen haben und können so einen kausalen Zusammenhang zwischen adäquaten Reizmuster und Gedächtnisbildungsphase (Akquisitionsphase) aufzeigen. Auf andere untersuchten neuronalen Parameter hat Gesangsdeprivation im LMAN keinen Einfluß. Andererseits konnten in gesangsdeprivierten Männchen signifikante Unterschiede in der Größe der Gesangskerne DLM und HVC festgestellt werden, deren Bedeutung in Abschnitt 3. 3 diskutiert wird.
Der LMAN gesangsdeprivierter Weibchen wurde ebenso analysiert, um unsere Hypothese, daß der LMAN bei Weibchen an der Gedächtnisbildung für ein Gesangsmuster beteiligt ist, zu überprüfen. Es konnten entgegen den Erwartungen keine Unterschiede zu sozial aufgezogenen Weibchen in den untersuchten Parametern aufgezeigt werden. Andererseits treten bei Weibchen starke Unterschiede im RA auf: gesangsdeprivierte Weibchen weisen ein weitaus kleineres RA-Volumen auf, haben kleinere Zellkörper und eine höhere Zelldichte als Weibchen, die mit einem Gesangsmodell aufwachsen - ein Befund, der die Rolle des RAs bei Weibchen neu definiert.
Im vierten Kapitel wird am Beispiel des Kanarienvogels gezeigt, welchen Einfluß Testosteron auf das Gesangsverhalten und die damit einhergehenden neuronalen Veränderungen in adulten Weibchen hat und ob der für das HVC-Volumen bekannte Sexualdimorphismus sich auch in einzelnen Neuronentypen widerspiegelt.
Inhaltsverzeichnis
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VORWORT
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1 Einführung
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1.1
Neuronale Grundlagen des Vogelgesangs als Modell für entwicklungs- und erfahrungsabhängige Plastizität
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1.2 Vergleichende Betrachtungen von Sprach- und Gesangssystem
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1.3 Das Gesangssystem bei Vögeln
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1.3.1
Verhaltensbiologische Grundlagen des Gesangslernens
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1.3.2 Die Rolle der auditorischen Rückkopplung
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1.3.3 Das Gesangslernen bei Zebrafinken (Taeniopygia guttata)
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1.3.4 Neuronale Verschaltungen des Gesangssystems
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1.3.5 Funktionelle Bedeutung spezifischer Kernregionen im Gesangssystem
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1.4 Die Fragestellung: Neuronale Korrelate des Gesangslernens bei Zebrafinken.
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2 Morphogenese und neuronale Konnektivität telencephaler Strukturen im Gesangssystem des Zebrafinken
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2.1
Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Größe von Kernregionen und dem Gesangsverhalten?
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2.2 Cytomorphometrische Charakterisierung der Entwicklung neuronaler Strukturen im LMAN, einer Kernregion, die an Lernprozessen beteiligt ist.
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2.3 Aufklärung neuronaler Verbindungen in vivo und am in vitro Hirnschnittpräparat weisen neue Projektionen auf.
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3 Einfluss der Gesangsdeprivation bei Zebrafinken: verhaltens-biologische und neuroanatomische Untersuchungen.
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3.1
Störungen im Frequenz- und Zeitmuster des Gesangsrepertoires
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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.
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3.3 Effekte der Gesangsdeprivation auf die neuronale Organisation der anterioren Vorderhirnschleife: Weitere morphologische Belege für neuronale Korrelate des Gesangslernens
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4 Untersuchungen zur Steroidsensitivität und zum Sexualdi-morphismus beim Kanarienvogel
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4.1
Welchen Einfluß hat Testosteron auf die Synaptogenese in Gesangskernen bei Weibchen?
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4.2 Welche Neuronentypen gibt es im HVC und sind diese sexualdimoph?
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LITERATUR ZUM HABILITATIONSTHEMA Eigene Originalartikel
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Abstracts neuerer eigener Arbeiten
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Betreute Arbeiten
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Zitierte Literatur
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WEITERE PUBLIKATIONEN DER HABILITANDIN
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SONDERDRUCKE und MANUSKRIPT
Bilder
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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)
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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)
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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.
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Abb. 4: Repräsentative 100 µm dicke Sagittalschnitte (Vibratom) von Gesangskernen adulter Zebrafinken (Nissl-Färbung). Die Gesangskerne LMAN (oben), HVC (Mitte) und RA (unten) sind für Männchen rechts und für Weibchen links abgebildet. Starke Geschlechtsunterschiede sind im HVC (Mitte) und im RA (unten) bereits in den Anschnittsflächen der Kernregionen zu erkennen. Für den LMAN (oben) dagegen treten im Nissl-Präparat kaum Größenunterschiede zwischen den Geschlechtern auf. Die Pfeile markieren jeweils die ventrale Lage der Kernregion im Schnittpräparat. d dorsal, r rostral
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Abb. 5: Volumenentwicklung der Gesangskerne LMAN (A), HVC (B), RA (C), und area X (D) bei Zebrafinken. In erwachsenen Tieren (≥100 Tage) ist der HVC bei Männchen, sowie auch der RA um ein Vielfaches größer als bei Weibchen. Der LMAN hingegen unterscheidet sich kaum zwischen den Geschlechtern und weist bei Männchen sowie Weibchen einen ähnlichen Entwicklungsverlauf auf. Eine area X ist bei Weibchen nicht vorhanden. Dargestellt sind Mittelwerte ± Standardfehler. (aus: Nixdorf-Bergweiler, 1996)
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Abb. 6: Repräsentativer 100 µm dicker Vibratomschnitt, der die Lage des LMAN im anterioren Neostriatum zeigt. Der LMAN ist durch Pfeilspitzen markiert (Sagittalschnitt).
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Abb. 7: Repräsentative Camera-Lucida-Zeichnungen Golgi-imprägnierter Neurone im LMAN von Zebrafinken im Alter von einer Woche (A), zwei Wochen (B) und drei Wochen (C), sowie von adulten Tieren (D). In sehr jungen Tieren (A) sind dendritische Spines kaum vorhanden, in 2-Wochen alten Tieren (B) dagegen bereits zahlreich repräsentiert. In (C) und (D) weist ein Pfeil auf das vom Zellkörper abzweigende Axon hin. Zwischen dem Neuron in (C) und (D) ist ein hoher Verlust an dendritischen Spines erkennbar. (aus: Nixdorf-Bergweiler, Wallhäusser-Franke und DeVoogd, 1995)
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Abb. 8: Dendritische Spinefrequenzen von LMAN-Neuronen verschiedener Altersstadien. Dargestellt ist die mittlere Anzahl dendritischer Spines (x ± SEM) pro 10 µm Dendritensegment für jedes 20 µm Intervall entlang eines Dendriten in 3-, 5- und 7-Wochen alten Tieren sowie in adulten Zebrafinkenmännchen. Zwischen 3 und 5 Wochen ist ein kleiner, aber signifikanter Anstieg in den Spinefrequenzen aller Dendritenabschnitte zu erkennen. Zwischen 5 und 7 Wochen dagegen reduziert sich die Spinefrequenz. Diese regressive Entwicklung der Spinefrequenz hält weiterhin an und ist zwischen 7-Wochen alten Tieren und Adulten besonders stark ausgeprägt. (aus: Nixdorf-Bergweiler, Wallhäusser-Franke und DeVoogd, 1995)
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Abb. 9: Elektronenmikroskokpische Aufnahmen aus dem Neuropil des LMAN von Zebrafinkenmännchem im Alter von 10 (10d), 20 (20d) und 30 Tagen (30d), sowie von adulten Tieren (adult: > 100 Tage). Die Fotokollage soll einen Einblick in die Feinstruktur des LMANs vermitteln und die Entwicklung von Synapsen auf ultrastruktureller Ebene dokumentieren. Strukturelle Komponenten von Synapsen wie das präsynaptische Areal (At, Axon terminal) oder das postsynaptische Element, im allgemeinen ein Dendrit (Den) oder ein dendritischer Spine (sp) sind punktuell exemplarisch gekennzeichnet. Der synaptische Spalt zwischen prä- und postsynaptischen Element ist bei dieser Vergrößerung nur bei einigen wenigen Synapsen gut erkennbar. Die Länge synaptischer Kontaktzonen sind ebenso exemplarisch an einigen Synapsen durch Pfeilspitzen markiert. In 10-tägigen Tieren (10d) sind Synapsen kaum vorhanden und zudem noch sehr undifferenziert. In 20-Tage alten Tieren (20d) sind dagegen bereits viele Synapsen zu erkennen, wie auch im Gewebe von 30-tägigen (30d). In Adulten hingegen verringert sich die Synapsendichte (Näheres siehe Text).
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Abb. 10: Entwicklungsverlauf der Synapsenanzahl männlicher und weiblicher Zebrafinken im LMAN (x ± SEM). Während in juvenilen Tieren in der Synapsenanzahl kein Unterschied zwischen den Geschlechtern festgestellt werden kann, weisen adulte Tiere (≥100d) einen starken Sexualdimorphismus auf. In weiblichen Tieren bleibt die Synapsenanzahl erhalten, bei Männchen hingegen nimmt die Synapsenanzahl dramatisch um mehr als die Hälfte ab.
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Abb. 11: Lichtmikroskopische Aufnahmen von 1 µm Semidünnschnitten vom LMAN in Weibchen (A, B) und Männchen (C, D). Das Gewebe 30-tägiger Tiere ist in den oberen beiden Aufnahmen dargestellt (A, C), das Gewebe 60- tägiger Tiere in den beiden unteren Aufnahmen (B, D). Während in 30-Tage alten Tieren (A, C) kein Unterschied in der Zellgröße gemessen werden kann, sind in 60-tägigen (B, D) und adulten Tieren die Zellsomata bei Männchen um ein Vielfaches größer als bei Weibchen. Wie der Grafik „Somata“ weiter zu entnehmen ist, vergrößern sich bei Männchen die Zellkörper zwischen dem 40. und 60. Tag, während sie sich bei Weibchen stark verkleinern,. Die Neuronendichte (x ± SEM) hingegen bleibt zwischen 30 und 60 Tagen in beiden Geschlechtern konstant, verändert sich aber noch nach dem 60. Tag: Bei Weibchen nimmt die Neuronendichte zu, bei Männchen verkleinert sie sich weiter. (modifiziert nach: Nixdorf-Bergweiler, 1998)
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Abb. 12: Darstellung von Geschlechtsunterschieden im LMAN auf der Ebene von Nucleoli. Obere Abbildung: Repräsentative hochauflösende lichtmikroskopische Aufnahme eines angeschnittenen Neurons mit Nucleoplasma und Nucleolus im 1 µm Semidünnschnitt eines adulten Zebrafinkenmännchens (x100 Öl). Im Nucleoplasma (Bildmitte) befindet sich in unmittelbarer Nähe der Kernmembran ein Nucleolus. Dieser Nucleolus ist durch eine zentral gelegene helle Region (central light area) charakterisiert und wird daher in die Gruppe der CLA-Nucleoli eingeordnet (Nixdorf-Bergweiler, 1997). Zahlreiche längs- und quergeschnittene Axone, typisch für adultes LMAN-Gewebe, sind ebenso auf der Aufnahme zu erkennen. Mittlere Abbildung: Die beiden nebeneinander angeordneten elektronenmikroskopsichen Abbildungen repräsentieren jeweils einen CLA-Nucleolus auf ultrastruktureller Ebene bei Weibchen (links) und bei Männchen (rechts). Die Größe von LMAN-Nucleoli ist sexualdimorph: Männchen haben signifikant größere Nucleoli als Weibchen. Die CLA-Nucleoli sind in ihrer maximalen Ausdehnung angeschnitten und einige ihrer strukturellen Komponenten exemplarisch markiert. Zu den strukturellen Komponenten des Nucleolus gehören die granuläre (G) und die dichte fibrilläre Komponente (F), sowie fibrilläre Zentren (Fc), wie auch in vielen Fällen eine Vakuole (V). Im allgemeinen ist ein fibrilläres Zentrum von dichten Fibrillen umgeben. Untere Abbildung: Prozentuales Vorkommen von CLA-Nucleoli im LMAN während der Entwicklung dargestellt für Männchen und Weibchen. Signifikante Unterschiede zwischen den Geschlechtern sind gekennzeichnet (*p≤ 0.05; ***p≤ 0.001). (modifiziert nach: Nixdorf-Bergweiler, 1997)
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Abb. 13: Entwicklung myelinisierter Axonprofile im LMAN und HVC. (A) Die Anzahl myelinisierter Axon-Anschnittsflächen pro Flächeneinheit erhöht sich während der Entwicklung im LMAN in beiden Geschlechter. Im HVC dagegen findet nur bei Männchen eine Zunahme statt. (B) Die Gesamtfläche axonaler Profile, gemessen in Quadratmicrometer pro Flächeneinheit, zeigt eine ähnliche Entwicklung wie die Anzahl. (aus: V. Hintz, Diplomarbeit, 1996)
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Abb. 14: Intrazelluläre Ableitungen von einem LMAN-Neuron während area X-Stimulation am in vitro Hirnschnittpräparat. Niederschwellige Reize (2 V) erzeugen exzitatorische postsynaptische Potentiale, da das Fasersystem DLM-LMAN, das teilweise auch durch die area X zieht, aktiviert wird. Höhere Reizstärken (5 bis 8 V) evozieren antidrome Aktionspotentiale (die Latenz zwischen Reiz und Antwortreaktion beträgt weniger als 1 ms) und belegen somit elektrophysiologisch eine Projektion vom LMAN zur area X. (aus: Nixdorf-Bergweiler, Lips und Heinemann, 1995)
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Abb. 15: Biocytin-gefüllte Zelle im LMAN. Ein Biocytin-gefülltes Neuron, dessen Axon sich in unmittelbarer Nähe vom Zellkörper in zwei Kollaterale aufspaltet, wobei ein Teil in Richtung area X zieht und die andere Abzweigung in das frontale Neostriatum verläuft, ist anhand einer Camera-Lucida-Zeichnung durch Rekonstruktion dargestellt. Morphologisch läßt sich das abgebildete Neuron dem spinereichen Neuronentyp zuordnen. Dieser Neuronentyp bildet den größten Teil der Neuronenpopulation im LMAN.
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Abb. 16: Fluoreszierende retrograd markierte Neurone im LMAN, die in die area X projizieren. (A) zeigt die Applikationsstelle des Tracers (Fluoro Ruby) in der area X bei schwacher Vergrößerung. Einzelne fluoreszierende Neurone sind bei dieser Vergrößerung noch nicht gut erkennbar. In (B) ist zur besseren Orientierung die gleiche Region des Fluoreszenzbildes aus (A) im Dunkelfeld dargestellt. Auch in einem nicht-gefärbten Schnitt lassen sich mit dem Dunkelfeld spezifische Gehirnstrukturen recht gut erkennen: area X (X) und LMAN (*), sowie auch ein kleiner Teil der Lamina hyperstriatica (LH) und der Lamina frontalis superior (LFS) sind gekennzeichnet. Schwarz-weiße Pfeilspitzen zeigen auf die Lamina medullaris dorsalis (LMD), die sich zwischen area X und LMAN schiebt. Im Fluoreszenzbild (c) sind erst bei höherer Vergrößerung markierte Neurone im LMAN erkennbar. Eines dieser Neurone wurde exemplarisch mit einem Pfeil gekennzeichnet und ist in (D) vergrößert dargestellt. Bei den Präparaten handelt es sich um Gefrierschnitte. Dorsal ist oben und rostral liegt links im Präparat. In (A), (B) und (C) beträgt der Vergrößerungsmaßstab 500 µm, in (D) beträgt er 100 µm. (aus: Nixdorf-Bergweiler, Lips und Heinemann, 1995)
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Abb. 17: Aufsicht auf einen 400 µm dicken nativen ungefärbten Vibratomschnitt (Lateralschnitt) von einem Zebrafinkengehirn eines adulten Weibchens. Der LMAN im anterioren Neostriatum ist auch in Weibchen recht gut erkennbar. Eine area X wurde für Weibchen bisher nicht beschrieben. (aus: G. Kreck, Diplomarbeit 1998)
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Abb. 18: Repräsentatives BDA-markiertes Neuron im LMAN, das in eine der area X äquivalenten Region im Lobus parolfactorius bei Weibchen projiziert. Viele dieser markierten Neurone weisen Axonkollaterale auf, wie sie auch bei Männchen beobachtet wurden. Mit diesen Befunden am in vitro Hirnschnittpräparat konnte auch bei Weibchen erstmals eine Projektion vom LMAN in den Lobus parolfactorius nachgewiesen werden. (aus: G. Kreck, Diplomarbeit 1998)
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Abb. 19: Intrazelluläre Ableitungen von einem ventral gelegenen RA-Neuron während Stimulationen des HVC-RA Fasertrakts oder des LMAN-RA-Fasertrakts (untere Kurvenverläufe) oder bei gleichzeitiger Stimulation beider Fasersysteme (oberer Kurvenverlauf) am in vitro Hirnschnittpräparat adulter Männchen. Die exzitatorischen postsynaptischen Potentiale unterscheiden sich in ihrer Anstiegsflanke, sowie in ihrer Amplitude entsprechend dem aktivierten LMAN-, bzw. HVC-Eingangsfasern zum RA. (aus: Nixdorf-Bergweiler, Sandakov und Heinemann, in Vorbereitung)
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Abb. 20: Antidrom evozierte Aktionspotentiale in ventral gelegenen RA-Neuronen adulter Zebrafinkenmännchen am in vitro Hirnschnittpräparat. (A) Eine Reizstärke von 4 V auf das HVC-RA Fasersystem dorsal vom RA ruft ein antidromes Aktionspotential im RA-Neuron hervor. (B) Bei Überschreitung des Schwellenpotentials durch LMAN-RA Faserstimulation von 2 V feuert dieses ventral gelegene RA-Neuron mit einem antidrom evozierten Aktionspotential. (aus: Nixdorf-Bergweiler, Sandakov und Heinemann, in Vorbereitung)
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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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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)
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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)
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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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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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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)
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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.
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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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Abb. 29: Repräsentative Cameral-Lucida-Zeichnungen von Rapid-Golgi-imprägnierten Neuronen im HVC des Kanarienvogels. Im HVC gibt es drei Klassen von Neuronen, die Spines an ihren Dendriten aufweisen: FD-, TD- und SD-Neuronen. Diese Neuronenklassen unterscheiden sich hinsichtlich verschiedener Parameter, vor allem aber in ihren Spinedichten. (a) FD-Neuron. Diese Neuronenklasse ist charakterisiert durch dicke Dendriten und einen sehr hohen Spinebesatz. Die beiden Pfeile markieren Axonkollaterale. (b) SD-Neuron. Diese Neurone sind durch sehr dünne Dendriten charakterisiert (1,2 µm im Durchmesser) und einer sehr niedrigen Spinedichte. (c, d) TD-Neurone. Diese Klasse hat im Vergleich zu den anderen beiden Klassen ein größeres variables Erscheinungsbild. Aufgrund der Anordnung seines Dendritenbaumes haben wir zwei Untergruppen gebildet: (c) radiär angeordnete Dendriten bilden die TD1-Neurone, (d) mehr ellipsoid angeordnete Dendritenbäume bilden die TD2-Neurone. Von allen untersuchten Neuronen im Rapid-Golgi-Präparat konnten nur Neurone der TD2-Teilpopulation als sexualdimorph nachgewiesen werden. Maßstab: 25 µm. (modifiziert nach: Nixdorf, Davis und DeVoogd, 1989)
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Abb. 30: Lichtmikroskopische Abbildungen Rapid-Golgi-imprägnierter Neurone, welche die drei großen Neuronenklassen im HVC des Kanraienvolgels repräsentieren. (a) FD-Neuron, charakterisiert durch eine hohe Spinedichte und weit verzweigtem Dendritenbaum. Die zugehörige Camera-Lucida-Zeichnung ist in Abb. 29a wiedergegeben. (b) SD-Neuron, charakterisiert durch dünne, kurze Dendriten und einer niedrigen Spinedichte. Die zugehörige Camera-Lucida-Zeichnung ist in Abb. 29b dargestellt. (c) TD1-Neuron mit typisch radiär angeordneten Dendriten; die zugehörige Camera-Lucida-Zeichnung findet sich in Abb. 29c. (d) TD2-Neuron mit einem asymmetrischen Dendritenfeld. Diese Teilpopulation der TD-Neuronenklasse ist sexualdimorph. (modifiziert nach: Nixdorf, Davis und DeVoogd, 1989)
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Abb. 31: Lichtmikroskopische Abbildung einzelner Dendriten von Rapid-Golgi-imprägnierten Neuronen im HVC, um den unterschiedlichen Spinebesatz der drei hauptsächlichen Neuronenklassen zu demonstrieren. Obere Abbildung: Dendriten von FD-Neuronen weisen eine hohe Spinedichte auf (1,8 Spines pro 1 µm Dendritensegment). Mittlere Abbildung: Dendriten von TD-Neuronen weisen eine mittlere Spinedichte auf (0,8 Spines pro 1 µm Dendritensegment). Untere Abbildung: Dendriten von SD-Neuronen haben mit 0,4 Spines pro 1 µm Dendritensegment die kleinste gemessene Spinedichte aller HVC-Neuronenklassen.
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