Wissenschaftler enthüllen die Neuroschaltkreise, die für Tiere unerlässlich sind, um Umwelthinweise auf unmittelbar bevorstehende Gefahren zu erkennen

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Grafische Zusammenfassung. Anerkennung: Zellberichte (2022). DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110506

Angeborene Abwehrverhalten wie Flucht, Erstarren und Kampf sind für Tiere entscheidend, um in einer gefährlichen Umgebung zu überleben. Neurowissenschaftler der City University of Hong Kong (CityU) haben kürzlich die wesentlichen Neuroschaltkreise enthüllt, die für Tiere von grundlegender Bedeutung sind, um Umweltreize wahrzunehmen und zu integrieren, um Abwehrverhalten einzuleiten. Die Ergebnisse legen eine neue Richtung für weitere Untersuchungen bei der Entwicklung einer Behandlung für Schizophrenie-Patienten nahe, die an akustischen Halluzinationen leiden.

Die Forschung unter der Leitung von Professor He Jufang, Wong Chun Hong Chair Professor of Translational Neuroscience, und Dr. Chen Xi, Research Assistant Professor in der Abteilung für Neurowissenschaften an der CityU, zeigte, wie der anteriore cinguläre Cortex (ACC) und der auditorische Cortex (ACx) im Gehirn arbeiten zusammen, um den Mäusen zu helfen, ihre Überlebensrate zu erhöhen, wenn Gefahr droht. Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Zellberichteunter dem Titel „Der anteriore cinguläre Kortex verstärkt direkt die auditiven kortikalen Reaktionen im Luftstoß-erleichterten Flugverhalten.“

In der Tierwelt können auffällige Umwelthinweise wie Luftströmungen oder Luftstöße, gefolgt von ungewöhnlichen Geräuschen, eine sich nähernde Gefahr signalisieren, wie z. B. einen Angriff eines Raubtiers. Um die Reaktionszeit ihrer Abwehrreaktion zu verbessern, müssen Tiere diese gefährlichen Hinweise so schnell wie möglich wahrnehmen und integrieren, um ihre Überlebenschancen durch schnellere Flucht zu erhöhen. Aber wie machen Tiere das?

Neuronaler Mechanismus hinter dem Flugverhalten

„In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler das Abwehrverhalten und die zugrunde liegenden Neuroschaltkreise in einzelnen sensorischen Modalitäten untersucht. Es war jedoch wenig darüber bekannt, wie ein markanter Hinweis das angeborene Abwehrverhalten beeinflusst, was wichtig ist, um die Überlebensrate zu verbessern, wenn ein Tier einer unmittelbaren Gefahr ausgesetzt ist “, sagte Dr. Chen.

Frühere Studien haben gezeigt, dass ein hochintensiver Schall ein angeborenes Flugverhalten hervorrufen kann. In dieser Studie führte das Team das Luftpusten des Tieres ein, um einen markanten Umgebungshinweis vor einem hochintensiven Geräusch nachzuahmen. Mit anatomischen, physiologischen, optogenetischen und chemogenetischen Methoden untersuchte das Forscherteam, wie der vordere cinguläre Cortex, der für kognitive Funktionen verantwortlich ist, und der auditive Cortex-Schaltkreis das Flugverhalten bei Mäusen steuern.

In ihren Experimenten maßen Forscher von CityU die Laufgeschwindigkeit von Mäusen als Reaktion auf Luftstöße und Geräusche bei unterschiedlichem Luftdruck und unterschiedlicher Schallintensität. Die Veränderung der Pupillengröße und der Gehirnaktivität bei den Mäusen wurde detailliert mit Techniken wie Faserphotometrie und extrazellulärer Aufzeichnung aufgezeichnet.

Experimente zur Wirkung von Luftstößen und Geräuschen

Zunächst zeigte das Forschungsteam, dass das Luftblasen das durch Geräusche hervorgerufene Flugverhalten bei Mäusen verbessert. Im Experiment fanden sie heraus, dass Geräusche Flugverhalten hervorrufen, besonders bei hoher Intensität. Dann untersuchten sie, wie sich ein vor dem Geräusch präsentierter Luftstoß auf das Flugverhalten auswirkt. Sie fanden heraus, dass bereits ein leichter Luftstoß ein stärkeres Flugverhalten (die Mäuse rannten schneller) auslösen kann, wenn auf den Luftstoß ein Geräusch folgt. Dieses Modell bietet eine neue Möglichkeit, angeborenes Abwehrverhalten in der Zukunft zu verstehen.

Zweitens demonstrierte das Team, dass der anteriore cinguläre Kortex die Luftstoßinformationen kodiert und die auditive Reaktion durch seine Projektion auf den auditorischen Kortex verstärkt, wodurch das Flugverhalten erleichtert wird. Sie bewiesen auch, dass dieser neuronale Schaltkreis für Tiere unerlässlich ist, um das Luftpusten und Geräusche zu integrieren. Die Hemmung des anterioren cingulären Cortex oder seiner Projektionen zum auditorischen Cortex neutralisiert diesen unterstützenden Effekt.

Frühere Studien zur Top-Down-Modulation des Hörkortex konzentrierten sich hauptsächlich darauf, wie motorische Bereiche bewegungsbezogene Informationen an ihn übertragen. Aber in dieser Studie zeigte das Forscherteam, dass der präfrontale Bereich des Gehirns, der eine zentrale Rolle bei kognitiven Kontrollfunktionen spielt, wie der Beeinflussung der Aufmerksamkeit, der Vorhersage der Folgen der Handlungen des Probanden und der Antizipation von Ereignissen in der Umgebung, dies kann verbessern auch die auditorische kortikale Aktivität bei Mäusen.

Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass die Neuroschaltung des anterioren cingulären Cortex-auditory Cortex (ACC-ACx) für Tiere unerlässlich ist, um das Luftblasen und Geräusche zu integrieren. Die Aktivierung dieses Schaltkreises kann für das Überleben von Tieren in der natürlichen Umgebung von entscheidender Bedeutung sein. Zum Beispiel helfen Luftströmungen und ungewöhnliche Geräusche zusammen Tieren eher dabei, das Erscheinen von Raubtieren vorherzusagen, als Geräusche allein, wodurch die Tiere schneller entkommen können.

Mögliche Lösung für akustische Halluzinationen

„Jede Münze hat jedoch zwei Seiten“, sagte Professor He. Er wies darauf hin, dass eine pathologische Übererregung des vorderen cingulären Kortex einen überaktiven Zustand im Hörsystem hervorrufen kann, der akustische Halluzinationen verursachen kann. „Diese Studie deutet darauf hin, dass die Hemmung der Übererregung des vorderen cingulären Kortex dazu beitragen könnte, akustische Halluzinationen zu minimieren, und eine neue Richtung für die Entwicklung einer Behandlung für Schizophrenie-Patienten aufzeigt, die an diesem Symptom leiden“, sagte Professor He. „Weitere Forschung ist erforderlich, um die Mechanismen der Projektion des vorderen cingulären Kortex auf sensorische Kortexe und mögliche Korrelationen mit solchen pathologischen Zuständen zu verstehen.“


Das Gehirn setzt ein Alarmsystem ein, um aufdringliche Gedanken zu unterdrücken


Information:
Wenjian Sun et al., Der anteriore cinguläre Kortex verstärkt direkt die auditiven kortikalen Reaktionen im Luftstoß-erleichterten Flugverhalten, Zellberichte (2022). DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110506

Bereitgestellt von der City University of Hong Kong


Zitate: Wissenschaftler enthüllen die Neuroschaltung, die für Tiere unerlässlich ist, um Umwelthinweise auf unmittelbar bevorstehende Gefahren zu erkennen (2022, 5. Mai), abgerufen am 5. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-scientists-reveal-neurocircuitry-essential-animals. html

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