Dank dieser „Alarm-Hotline“ konnte Shushu „weglaufen als beste Strategie“

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Fei (PhD in Neurowissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Da die Videos der Rattenserie auf den großen Kurzvideoplattformen immer beliebter werden, stellen wir fest, dass nicht alle Ratten von allen gehasst werden. Ratten können der menschlichen Wissenschaft helfen, ein neues Niveau zu erreichen. Ratten wie Chinchillabären und Meerschweinchen können sogar zu „Ehrengästen“ der Menschen werden und sich in geliebte Haustiere verwandeln, die darauf warten, von ihren „Kotschaufern“ gefüttert zu werden.

In der traditionellen Vorstellung werden manche Nagetiere aufgrund ihrer Zerstörungskraft und ihrer Neigung, Nahrung zu stehlen, vom Menschen oft verachtet und vertrieben. Allerdings hat man festgestellt, dass Mäuse sehr schnell ausweichen und fliehen können und man sie als „Fluchtexperten“ bezeichnen kann. Wenn sie auf natürliche Feinde treffen, wenden sie die Strategie des „Totstellens“ an, indem sie bewegungslos verharren, das heißt, sie legen ein rigides Abwehrverhalten an den Tag, um „ihr Leben zu retten“, was man als hervorragende „schauspielerische Fähigkeit“ bezeichnen kann.

Meist gelingt es dem Menschen nicht, diese „Ausbruchsexperten“ direkt zu fangen, sondern er muss auf Hilfsmittel zum Mäusefangen zurückgreifen. Warum also reagierten die Mäuse so schnell? Was ist das Geheimnis hinter ihrer agilen und flexiblen Flucht?

Die Maus rannte schnell weg, als sie die Katze sah

(Bildquelle: AmazinglyTimedPhotos.com)

Mäuse - Experten für die natürliche Flucht

Es ist eine bekannte Tatsache, dass Mäuse extrem schnell auf Gefahren reagieren. Ob es sich um eine Katze handelt, die eine Maus fängt, oder um einen Menschen, der eine Maus jagt: Oft sehen wir sie nur weglaufen und wissen nicht einmal, welche Farbe sie hat. Darüber hinaus sind sie bei der Flucht sehr wendig und können sofort die Richtung ändern, klettern, springen und auf und ab hüpfen, was ihnen einen natürlichen Vorteil in der Bewegungsflexibilität gegenüber Mäusen und einigen großen Tieren verschafft.

Noch wichtiger ist jedoch, dass Mäuse besonders wachsam sind und über spezielle Strukturen im Gehirn verfügen, die es ihnen ermöglichen, drohende Gefahren vorherzusehen, bevor sie fliehen. Mäuse werden als „Fluchtgenies“ bezeichnet, weil sie eine sich nähernde Gefahr schnell erkennen und Abwehrverhalten wie Flucht und Erstarren über einen schnellen Weg einleiten können.

Studien haben gezeigt, dass Mäuse nur 0,05 Sekunden brauchen, um Gefahreninformationen zu erkennen, und dass diese Informationen schnell an das Gehirn übermittelt werden und ein Verhalten hervorrufen können.

Ein Fuchs überrascht ein Murmeltier

(Bildnachweis: Bao Yongqing, Gewinner des Wettbewerbs „Wildlife Photographer of the Year 2019“)

„Alarm Line“ – Raubtiere erkennen und Gefahrensignale senden

In der Netzhaut der Maus befindet sich eine spezielle „Alarmlinie“, die es der Maus ermöglicht, Gefahreninformationen schnell zu erkennen. Diese „Alarmlinie“ sind die Alpha-Ganglienzellen in der Netzhaut. Es kann ein sich näherndes Raubtier erkennen und elektrische Signale an das Gehirn senden – Gefahr droht!

Wie also haben die Forscher diese besonderen Neuronen gefunden? Der erste Schritt einer wissenschaftlichen Entdeckung ist das Raten.

Nach der Analyse und dem Vergleich verschiedener Ganglienzellen in der Netzhaut von Mäusen stellten die Forscher fest, dass Alpha-Ganglienzellen über Signalübertragungsfähigkeiten verfügen, die von anderen Zellen nicht erreicht werden. Es kann visuelle Signale so schnell wie möglich an das Gehirn senden. Aus diesem Grund war diese Zelle natürlich die erste Wahl für diese Alarmlinie.

Verschiedene Arten von Ganglienzellen in der Netzhaut

(Bildquelle: Volgi et al., 2009)

Obwohl Forscher diesen Zelltyp bereits vermutet hatten, ist er über die gesamte Netzhaut verstreut. Forscher können jedes Mal nur zufällig eine Zelle greifen, und ob sie auf die nächste stoßen, hängt ganz vom Glück ab.

Dank eingehender genetischer Forschung fanden die Forscher ein Gen, das spezifisch in Alphazellen exprimiert wird. Anschließend schufen die Forscher genetisch veränderte Mäuse, die es ihnen ermöglichten, die Zelle zum Leuchten zu bringen und sie so aus der Masse hervorstechen zu lassen. Darüber hinaus können spezielle Methoden verwendet werden, um diese Zellgruppe zu kontrollieren und die Funktion dieses Zelltyps weiter nachzuweisen.

Aufzeichnung von fluoreszenzmarkierten Alpha-Retinal-Ganglienzellen

(Bildquelle: Fei Wang et al. 2021, Current Biology)

Wie also haben die Forscher bewiesen, dass Alphazellen die Zellen sind, die Gefahreninformationen an das Gehirn weiterleiten?

Zunächst brachten sie diese Zellen zum Schweigen, während sie anderen Zellen in den Augen der Maus ihre normale Funktion ermöglichten. Die Mäuse hatten keine Angst mehr vor herannahenden Raubtieren und wanderten sogar weiter umher.

Anschließend aktivierten die Forscher die Zellen, wodurch diese ein falsches Alarmsignal an das Gehirn sendeten. Obwohl sich keine Raubtiere näherten, begann die Maus zu diesem Zeitpunkt tatsächlich wegzulaufen und schien verängstigt zu sein.

Kontrolle des Angstverhaltens bei Mäusen durch Manipulation der Alphazellen in der Netzhaut

(Bildquelle: Fei Wang et al. 2021, Current Biology)

Nachdem nun bestätigt wurde, dass Alphazellen Gefahreninformationen an das Gehirn melden, stellt sich die Frage: Wie erkennen Alphazellen gefährliche Reize?

Der „Hinter-den-Kulissen-Held“ der „Alarm-Hotline“ zur Gefahrenerkennung – die besonderen baulichen Vorteile

Tatsächlich ist es egal, ob eine Katze auf sie zustürzt oder eine Eule vom Himmel herabfliegt: Die Maus sieht immer nur einen dunklen Schatten, der sich ihr nähert. Die Forscher fanden heraus, dass das bloße Zeigen eines schwarzen Kreises, der allmählich größer wurde, bei Mäusen Flucht- und Erstarrungsreaktionen auslöste.

Die Alphazellen können die Stimulation durch diesen sich nähernden Schatten gerade noch wahrnehmen. Als die Forscher Alphazellen aufzeichneten und ihnen den Reiz eines sich nähernden Schattens präsentierten, stellten sie fest, dass die Alphazellen auf den sich nähernden Schatten reagierten und dass die Intensität der Reaktion an die Größe des sich nähernden visuellen Reizes angepasst werden konnte. Mit anderen Worten: Mäuse waren in der Lage, die Entfernung von Raubtieren mithilfe ihrer Alphazellen einzuschätzen.

Die Dendriten der Alphazellen (Strukturen, die Signale empfangen) sind wie in den Weltraum gerichtete Radargeräte mit langen Antennen, die ein weites Netz bilden. Überall in der Netzhaut befinden sich Tausende dieser Zellen, die einander überlappen, sodass jeder Punkt im Sichtfeld abgedeckt ist. Diese Zellen verfügen außerdem über ein dickes Axon (eine Struktur, die Signale überträgt), das Signale wie ein elektrisches Kabel übertragen kann. Das Besondere an diesem „Kabel“ ist, dass es mit einer isolierenden Hülle umhüllt ist, die es ihm ermöglicht, Signale schneller an das Gehirn zu übertragen als andere Zellen.

Alphazellen in der Netzhaut der Maus

(Bildquelle: Zhang Yifeng Laboratory, Institut für Neurowissenschaften, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Wenn eine Alphazelle den Reiz eines sich nähernden Schattens wahrnimmt, sendet sie ein elektrisches Signal an das Gehirn. Dieses elektrische Signal kann direkt in den für das Abwehrverhalten zuständigen Gehirnbereich gelangen, ohne die Großhirnrinde der Maus zu durchlaufen. Es handelt sich um eine Autobahn von der Netzhaut zu den subkortikalen Bahnen, die Gefahr direkt in Aktion umsetzt.

Diese Autobahn beginnt an der Netzhaut und überträgt Gefahrensignale an einen Ort im Gehirn, der als „Colliculus superior“ bezeichnet wird, und „verzweigt sich dann in zwei Routen“. Ein Weg führt zu dem Gehirnbereich, der Bewegungen steuert und Abwehrverhalten einleitet. Der andere Weg führt zu dem für Angst zuständigen Gehirnbereich, der Amygdala (die wie eine Mandel aussieht), und löst bei den Mäusen Angstgefühle aus.

Auf diese Weise müssen gefährliche Informationen nicht zuerst durch die Großhirnrinde (wo das Denkbewusstsein erzeugt wird) verarbeitet werden und dann das Verhalten durch die motorischen Gehirnbereiche ausgegeben werden. Auch die Wege der Informationsübertragung werden erheblich verkürzt. An diesem Punkt kann das Tier ohne Nachdenken handeln und reagiert „unterbewusst“.

Eine solche spezielle Alarmleitung und ein Schnellreaktionssystem helfen Tieren, hinterhältigen Angriffen von Raubtieren schnell auszuweichen.

Visuelle Bahn, die für die Annäherung dunkler Schattenreize im Mäusegehirn zuständig ist

(Bildquelle: Julieta E. Lischinsky und Dayu Lin, 2019, Trends in Neurosciences)

„Alarm Line“, die der traditionellen visuellen Wahrnehmung überlegen ist

Das visuelle System des Gehirns stellt die Schaltkreise bereit, die es uns ermöglichen, die Welt klar zu sehen. Weniger bekannt ist jedoch, dass das visuelle System auch andere, konservativere Funktionen hat. So hilft es uns beispielsweise dabei, den zirkadianen Rhythmus wahrzunehmen, unsere Emotionen zu regulieren und bestimmte instinktive Verhaltensweisen auszulösen.

Diese „Alarmlinie“ in der Netzhaut der Maus ist ein Beispiel dafür, wie das visuelle System instinktives Abwehrverhalten auslöst. Diese Forschung trägt zu unserem Verständnis der Funktionsweise des visuellen Systems bei.

Angesichts dessen fragen sich manche vielleicht: Gibt es einen Unterschied zwischen der Informationskodierungsstrategie, die das visuelle System zur Bereitstellung einer Alarmfunktion verwendet, und der Kodierungsstrategie bei der herkömmlichen visuellen Wahrnehmung?

Im Allgemeinen ist die kombinatorische Kodierung die Kodierungsmethode der traditionellen visuellen Wahrnehmung, die unserem Gehirn ein klares und vollständiges Bild liefern kann. Diese Methode hat jedoch Nachteile wie langsame Reaktionszeiten und redundante Informationsverarbeitung. Es ist noch unbekannt, ob das visuelle System über eine andere schnelle Kodierungsmethode verfügt. Diese „Alarmleitung“ kann mithilfe einer Schnellkodierungsmethode schnell bestimmte Schlüsselinformationen an das Gehirn übermitteln und so ein Verhalten auslösen.

Bildgebung und andere Funktionen des Sehwegs

(Bildquelle: Silvia E. Braslavsky, 2020)

Abschluss

Dieser schnelle Reaktionsmechanismus in der biologischen Welt ist auch für die menschliche Gesellschaft eine Inspiration. Bei konkreten Gefahrenimpulsen benötigen wir neben einer umfangreichen Informationszufuhr auch eine spezielle Standleitung zur schnellen Entscheidungsfindung. Dies ist vergleichbar damit, dass ein militärischer Führer keine Informationen über den Feind durch die täglichen Nachrichten erhalten kann und die Armee an der Frontlinie ein spezielles Aufklärungssystem einrichten muss.

Dies liegt vor allem daran, dass uns die enorme Informationsmenge mit verschiedenen redundanten Informationen überfordern kann und wir wichtige Inhalte übersehen. Nur durch die Speicherung der Alarmrufnummer können wir Gefahrenreize gezielt erkennen und relevante Informationen direkt an die zuständigen Stellen übermitteln, ohne andere unnütze Informationen zu vermischen.

Durch die Untersuchung dieser „Alarmlinie“ im Gehirn von Mäusen können wir auch versuchen, eine Reihe von Problemen zu lösen, denen wir im Leben begegnen. Brauchen selbstfahrende Autos im wirklichen Leben beispielsweise wirklich Lidar? Reicht es, ein paar mehr Kameras im Auto einzubauen?

Automatische Erkennungsfunktion für selbstfahrende Autos

(Bildnachweis: Bernard Marr)

Durch Forschung können wir die Antwort finden: In den Autos der Zukunft werden nicht nur Kameras zum Sammeln verschiedener Informationen benötigt, sondern es muss auch ein Lidar-Kanal zur Meldung gefährlicher Informationen reserviert werden, um die Sicherheit der Fahrer und Autos zu maximieren.

Herausgeber: Ying Yike