Schildkrötengehirn erkennt neue visuelle Ereignisse trotz Bewegung

Über Jahrzehnte hinweg gingen Wissenschafter davon aus, dass anspruchsvolle visuelle Fähigkeiten weitgehend Säugetieren vorbehalten seien. Ihrer Ansicht nach konnten nur grosse, gefaltete Grosshirnrinden wichtige Veränderungen in der Umgebung zuverlässig erkennen und deuten.

Neue Forschungsergebnisse der Universität Tel Aviv zeigen jedoch, dass Schildkröten über ein überraschend leistungsfähiges System zur visuellen Verarbeitung verfügen.

Schildkrötengehirne können neue visuelle Ereignisse wahrnehmen, selbst wenn Kopf- oder Augenbewegungen das Bild auf der Netzhaut verschieben. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass zentrale Gehirnfähigkeiten bereits vor Hunderten Millionen Jahren entstanden sind.

Gehirne von Reptilien und Säugetieren

Reptilien und Säugetiere gehen beide auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück, der vor rund 320 Millionen Jahren lebte. Diese frühen Tiere, die als Amnioten bezeichnet werden, zählten zu den ersten Wirbeltieren, die vollständig an ein Leben an Land angepasst waren.

Mit dem Übergang zum Landleben gewann das Sehen an Bedeutung. Die Augen entwickelten sich weiter, die Köpfe konnten freier bewegt werden, und mehr visuelle Informationen gelangten ins Vorderhirn – jenen vorderen Gehirnbereich, der Denken und Gedächtnis unterstützt.

Bei Säugetieren wurde die Grosshirnrinde, die äussere Denkschicht des Gehirns, gross und komplex.

Bei Schildkröten blieb ein vergleichbarer Bereich, der dorsale Cortex, kleiner und einfacher aufgebaut. Der dorsale Cortex ist an der Verarbeitung visueller Informationen beteiligt. Er wird als dreischichtig beschrieben, weil seine Zellen in drei einfachen Schichten angeordnet sind.

Trotz seiner geringen Grösse empfängt der dorsale Cortex visuelle Signale aus einem Umschaltbereich, der dem visuellen Thalamus ähnelt und Nachrichten von den Augen an das Gehirn weiterleitet.

Zudem ist er mit dem medialen Cortex verbunden, der dem Hippocampus ähnelt – einem Gehirnbereich, der Gedächtnis und Orientierung unterstützt. Das zeigt, dass der für das Sehen zuständige Bereich im Schildkrötengehirn auch mit dem Erinnern an Orte verknüpft ist.

Visuelle Verarbeitung bei Schildkröten im Test

Die Wissenschafter zeichneten die Gehirnaktivität im dorsalen Cortex wacher Schildkröten auf, während diese auf einer kleinen Plattform vor einem Bildschirm sassen.

Ein weisses Dreieck wurde wiederholt an derselben Stelle gezeigt. Gelegentlich erschien dasselbe Dreieck an einer anderen Position. Ein solcher Aufbau wird als Oddball-Design bezeichnet.

Die neuronalen Aufzeichnungen zeigten einen deutlichen Aktivitätsschub, wenn ein Reiz an einer neuen Stelle auftauchte. Wurde dieselbe Position wiederholt, schwächte sich die Reaktion mit der Zeit allmählich ab.

Auch die ersten Versuche jeder Sitzung lösten eine erhöhte Aktivität aus – ein Muster, das die Empfindlichkeit des Gehirns für Neuartiges klar widerspiegelt.

Die Forschenden verwendeten ausserdem eine natürlichere Szene. Anstelle eines Dreiecks erschien ein Schildkrötenkopf vor dem Bild eines Teichs. Selbst in dieser komplexen Umgebung führten neue Positionen zu stärkerer Gehirnaktivität als wiederholte Positionen.

Kontrollversuche mit zufällig gewählten Positionen schlossen eine einfache Bevorzugung eines bestimmten Bildschirmbereichs aus.

Neuartiges trotz Bewegung erkennen

Bewegt eine Schildkröte ihren Kopf, verschiebt sich das gesehene Bild auf eine andere Stelle im Auge. In vielen Gehirnbereichen kann eine solche Verschiebung beeinflussen, wie stark Gehirnzellen reagieren.

In der Studie erfassten die Wissenschafter genau, wie stark die Schildkröten Kopf und Augen bewegten. Sie stellten fest, dass das Schildkrötengehirn kräftig reagierte, sobald etwas an einer neuen Stelle erschien – unabhängig davon, in welche Richtung das Tier gerade blickte.

Die Augenbewegungen der Schildkröten „glichen“ ihre Kopfbewegungen nicht aus, um das Bild an derselben Stelle zu halten. Selbst bei verändertem Blickwinkel erkannte das Gehirn das neue Objekt weiterhin.

Ein Objekt erstmals aus einem neuen Blickwinkel zu sehen, führte nicht zu einer zusätzlich besonders starken Reaktion.

Das zeigt, dass das Schildkrötengehirn nicht bloss darauf reagiert, wo das Bild im Auge landet. Vielmehr erkennt es, dass in der Umgebung etwas Neues erschienen ist.

Kleine Überraschungen übertreffen grosse Bewegungen

Wenn eine Schildkröte Kopf oder Augen bewegt, verändert sich das Bild in ihrem Auge erheblich. Man könnte daher erwarten, dass das Gehirn auf diese grosse Veränderung stark anspricht. Das war jedoch nicht der Fall. Bewegte sich die Schildkröte, ohne dass etwas Neues erschien, blieb die Gehirnaktivität vergleichsweise niedrig.

Tauchte hingegen ein kleines, unerwartetes Objekt auf dem Bildschirm auf, nahm die Gehirnaktivität deutlich stärker zu. Obwohl die Veränderung gering war, reagierte das Gehirn auf diese Überraschung stärker als auf grosse, vom Tier selbst ausgelöste Bewegungen.

Die Wissenschafter verglichen Gehirnsignale während einfacher Bewegungen mit Signalen bei visuellen Ereignissen. Sowohl häufige als auch seltene visuelle Bilder riefen stärkere Reaktionen hervor als Bewegung allein.

Dies belegt, dass das Schildkrötengehirn nicht einfach auf Bewegung anspricht. Es richtet seine Aufmerksamkeit auf bedeutsame Veränderungen in der Aussenwelt.

Die Evolution des Cortex neu bewerten

Viele Jahre lang nahmen Wissenschafter an, dass das Gehirn visuelles Verständnis schrittweise aufbaut. Bei Säugetieren reagieren frühe visuelle Bereiche auf präzise Orte im Gesichtsfeld.

Während Informationen tiefer ins Gehirn weitergeleitet werden, werden die Reaktionen flexibler und weniger an eine bestimmte Position gebunden.

Bei Schildkröten scheint dies anders zu sein. Der dorsale Cortex der Schildkröte erhält visuelle Informationen direkt, kann aber bereits etwas Neues erkennen, selbst wenn es an einer anderen Stelle erscheint. Eine lange Kette zahlreicher visueller Bereiche wie bei Säugetieren gibt es nicht.

Damit wird die frühere Annahme infrage gestellt, dass sich flexibles Sehen nur in höheren Gehirnregionen entwickelt. Die Fähigkeit, wichtige Veränderungen unabhängig von ihrem Ort zu erkennen, könnte sich sehr früh in der Tiergeschichte entwickelt haben.

Mögliche Verbindungen zu Gedächtnis und Navigation

Wie bereits erwähnt, ist der dorsale Cortex eng mit einem weiteren Gehirnbereich verbunden: dem medialen Cortex, der dem Hippocampus von Säugetieren ähnelt.

Der Hippocampus hilft Tieren dabei, Orte zu erinnern und mentale Karten ihrer Umgebung zu erstellen.

Kann eine Schildkröte Orientierungspunkte auch aus unterschiedlichen Blickwinkeln erkennen, kann sie während ihrer Bewegung eine stabile Karte ihrer Umgebung bewahren. Das macht die Navigation leichter und verlässlicher.

Die starke Gehirnreaktion auf etwas Neues ähnelt einem Signal, das im Gehirn von Säugetieren auftritt, wenn etwas Unerwartetes geschieht. Ein solches Signal erscheint oft dann, wenn das Gehirn feststellt, dass die Realität nicht mit seiner Vorhersage übereinstimmt.

Vereinfacht gesagt könnte das Gehirn vergleichen, was es zu sehen erwartet, mit dem, was es tatsächlich sieht. Besteht ein Unterschied, reagiert es stark. Dieser Prozess trägt dazu bei, ein inneres Bild der Welt aufzubauen und zu aktualisieren.

Ein Fenster in die ferne Vergangenheit

Das kleine Schildkrötengehirn eröffnet einen aufschlussreichen Blick auf frühe Cortex-Funktionen. Auch ohne grosse, gefaltete Grosshirnrinde kann der dorsale Cortex neue Ereignisse unabhängig von ihrer Position auf der Netzhaut erkennen. Diese Fähigkeit könnte einen Grundpfeiler der Cortex-Evolution darstellen.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die grundlegende Verarbeitung zum Erkennen wichtiger Veränderungen in der Umgebung bereits lange vor dem Auftreten der Säugetiere existierte.

Das Schildkrötengehirn zeigt, dass komplexe visuelle Verarbeitung nicht plötzlich in grossen modernen Gehirnen entstand. Ihre Wurzeln reichen vielmehr zu uralten Vorfahren zurück, die erstmals das Land betraten.