Wenn Zebrafische zählen, kommt die Hirnforschung voran
Über ein Jahrhundert lang, seit der Entdeckung der Hirnlateralisation wurde diese als einzigartiges Merkmal des Menschen betrachtet, das mit der kognitiven Überlegenheit unserer Spezies verknüpft ist. Heute wissen wir, dass sie auch im Tierreich weit verbreitet ist, und selbst der winzige Zebrafisch lateralisierte Verhaltensweisen und ausgeprägte neuroanatomische Asymmetrien vorzuweisen hat. Der Zebrafisch ist dank seines einfachen Genoms und seines sich durchsichtig entwickelnden Embryos außerdem der Rockstar der genetischen Manipulationsstudien; und zufällig kann er auch noch gut mit Zahlen umgehen. Maria Elena Miletto Petrazzini nutzte diese Vorteile aus, um die Lateralisation der Fähigkeiten im Umgang mit Zahlen beim Zebrafisch zu untersuchen und mögliche Schlussfolgerungen in Hinsicht auf andere Wirbeltiere einschließlich des Menschen zu ziehen. Ihre Arbeit wurde im Kontext des Projekts NUMELAT mit einem Einzelstipendium aus den Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt.
Asymmetrie dient einem Zweck
Zebrafische verfügen über hochentwickelte mathematische Fähigkeiten. Dazu zählt die Wahrnehmung von Kardinalzahlen (z. B. die größere von zwei Gruppen zu erkennen, etwa wenn erwachsene Männchen Gruppen von Weibchen auswählen) und Ordinalzahlen (z. B. den zweiten Ausgang in einem Korridor mit vielen ähnlichen zu erkennen, wenn der zweite zu den Gefährten führt). Welche Rolle die Lateralisation in diesen mit Zahlen zusammenhängenden Prozessen spielt, ist unklar, ebenso wie der zeitliche Ablauf des Auftretens während der Entwicklung. Miletto Petrazzini gründete ihre Arbeit auf die Beobachtung, dass sich einzelne Fische einer sozialen Art, wenn sie in eine neuartige Umgebung gebracht werden, spontan dem größeren von zwei Schwärmen anschließen, um möglichen Raubtierangriffen zu entgehen. Sie verglich das bei dieser Aufgabe an den Tag gelegte Verhalten von Fischen, deren Hirnasymmetrie sie durch genetische Veränderungen gestört hatte, mit dem von Fischen des Wildtyps. Wie Miletto Petrazzini herausfand, konnten die Zebrafische bereits im Alter von vier Wochen die größere Gruppe auswählen. Zudem beeinträchtigte der Verlust der Asymmetrie die Leistungsfähigkeit. „Eine gestörte funktionale Lateralisation wurde beim Menschen mit neuropsychiatrischen Beeinträchtigungen und kognitiven Dysfunktionen wie zum Beispiel Dyskalkulie in Verbindung gebracht, aber es ist nicht bekannt, was Ursache und was Wirkung ist. Unser Ergebnis spricht für die Möglichkeit, dass eine gestörte Lateralisation des Gehirns bei kognitiven oder verhaltensbezogenen Dysfunktionen ursächlich sein könnte“, erklärt Miletto Petrazzini.
Fische willkommen im Club
Im Neokortex von Menschen und nichtmenschlichen Primaten sowie bei Krähen, denen ein Neokortex fehlt, finden sich sogenannte Zahlenneuronen. Hier deutet sich an, dass die der Unterscheidung von Mengen dienenden neuronalen Verschaltungen evolutionär konserviert und in Hirnarealen lokalisiert sein könnten, die funktionell homolog zum Neokortex der Säugetiere bei anderen Wirbeltieren sind. Miletto Petrazzini erläutert dazu: „In Zusammenarbeit mit der University of Southern California haben wir ein In-vivo-Bildgebungsprotokoll mit der Bezeichnung Zwei-Photonen-Lichtscheibenmikroskopie oder 2P-SPIM eingesetzt, um die neuronale Aktivierung bei Zebrafischlarven zu überwachen. Während der Präsentation numerischer Reize erhielten wir die ersten Hinweise auf Zellen, die durch die Präsentation einer unterschiedlichen Anzahl von Gegenständen auf verschiedene Weise aktiviert werden und die den bei Menschen, Primaten und Vögeln beschriebenen Zahlenneuronen ähneln könnten.“ Diese Erkenntnis könnte die noch im Entstehen begriffene Liste der Wirbeltiere, die über Zahlenneuronen verfügen, erweitern, und sie deutet auf einen evolutionär konservierten Prozess hin.
Lateralisation beeinflusst mehr als den Umgang mit Zahlen
Als ob die Bestätigung ihrer ursprünglichen Hypothesen noch nicht ausreichend wäre, kann Miletto Petrazzini außerdem über eine Zufallsentdeckung berichten. „Während der Entwicklung eines automatisierten Assays zur Bewertung der zahlenbezogenen Unterscheidungsfähigkeiten bei Erwachsenen anhand der Präsentation von Stimuli auf einem Computerbildschirm stellten wir fest, dass einige Muster veränderter Hirnasymmetrien allgemeinere Lernfähigkeiten und impulsives Verhalten beeinflussten.“ Miletto Petrazzini konnte mithilfe ihres Stipendiums Fragen beantworten und weitere stellen sowie ihre berufliche Karriere ins Rollen bringen. So sind für die Zukunft neue Erkenntnisse über die evolutionären Ursprünge der Kompetenz im Umgang mit Zahlen, über deren neuroanatomische Grundlagen und die faszinierende Rolle der Lateralisation des Gehirns bei der Verarbeitung von Zahlen zu erwarten.
Schlüsselbegriffe
NUMELAT, Lateralisation, Zebrafisch, Zebrabärbling, Zahlenneuronen, Hirnassymetrie, Dyskalkulie, Unterscheidung von Mengen bei Tieren, Zwei-Photonen-Lichtscheibenmikroskopie, 2P-SPIM, In-vivo-Bildgebung
