Lateralisation und hemisphärische Kooperation bei der Verarbeitung von Raum- und Objektinformation bei Vögeln

Tiere und Menschen sind für das tägliche Überleben auf eine schnelle Bewertung und flexible Nutzung verschiedenster Umweltreize angewiesen. So nutzen Vögel, wie viele andere Tiere, sowohl den Magnetsinn als auch die Geometrie der Umgebung und Landmarken, um sich im Raum zu orientieren. Auch erfolgt eine schnelle und komplexe Auswertung des visuellen Inputs, beispielsweise, um bei der Futtersuche selektiv Futterkörner finden zu können. Unklar ist bislang, wie Raum- und Objektinformation in den beiden Hirnhälften verarbeitet werden und wie die Aufgabenteilung zwischen den Hemisphären aussieht. Zur Klärung dieser Thematik soll die vorliegende Arbeit beitragen, wobei die Versuche so angelegt wurden, dass mögliche, grundlegende Verarbeitungsstrategien unter zwei Gesichtspunkten betrachtet werden konnten: Zum einen wurden den Tieren prinzipiell unterschiedliche Aufgaben präsentiert, um über verschiedene Bereiche auf dem Gebiet der Raum- und Objektverarbeitung hinweg vergleichen zu können. Zum anderen wurde mit den beiden zurzeit wichtigsten Vogelmodellen gearbeitet, der Brieftaube (Columba livia) und dem Haushuhnküken (Gallus gallus). Dies erlaubt einerseits den Vergleich eigener Ergebnisse mit anderen Befunden innerhalb derselben Art, während andererseits auch Parallelen und Unterschiede zwischen verschiedenen Arten betrachtet werden können. Vögel eignen sich hierbei aufgrund ihrer Anatomie besonders gut für die Erforschung von Hemisphärenunterschieden. Durch ein nahezu vollständiges Überkreuzen der Sehnerven und das Fehlen eines Corpus callosum oder anderer funktionell entsprechender Strukturen zum Informationsaustausch zwischen den Hirnhälften wird der visuelle Input eines Auges überwiegend in der gegenüberliegenden Hirnhälfte verarbeitet. Lateralisation kann daher sehr leicht durch Abdecken eines Auges untersucht werden. Bei Brieftauben wurde die Repräsentation von Geometrie und Landmarken untersucht (Kapitel 2). Die Tiere lernten hierbei, das Zentrum einer quadratischen Arena mithilfe rein geometrischer Hinweise oder mittels einer Kombination von Geometrie und Landmarken zu finden. Durch Verändern der verfügbaren Informationsart wurde untersucht, welche Informationen die Tauben zum Lokalisieren des Zentrums nutzten. Die Ergebnisse zeigen mit einer beidseitigen Verarbeitung ein qualitativ anderes Muster der Repräsentation von Rauminformationen als bislang bei anderen Arten, wie z.B. dem Haushuhnküken, beschrieben. Ferner hing der relative Gebrauch von Geometrie und Landmarken in starkem Maße von der vorherigen Erfahrung der Tauben ab. In einer weiteren Studie wurde die Verarbeitung von Magnetkompassinformation bei Brieftauben untersucht (Kapitel 3). Hierbei wurde erstmals erfolgreich ein Versuchsdesign zur Laboruntersuchung entwickelt. Auch bei dieser Raumkognitionsaufgabe wurde ein Unterschied zu der bei anderen Arten gefundenen linkshemisphärischen Spezialisierung zugunsten einer Verarbeitung sowohl in der linken als auch in der rechten Hirnhälfte gefunden. Während die Tauben hierbei mit der rechten Hirnhälfte lediglich die richtige Achse wahrnahmen, erfassten sie mit der linken Hemisphäre die spezifische Richtung. Dies könnte die gefundene linkshemisphärische Überlegenheit im Freiland erklären. Erstmals bei Vögeln wurde beim Haushuhnküken in einem weiteren Versuch die hemisphärische Verarbeitung von Raumfrequenzinformation untersucht, die sowohl für die visuelle Raumorientierung als auch für das Objekterkennen von großer Bedeutung ist (Kapitel 4). Die Raumfrequenz ist hierbei allgemein als ein Maß für die Wiederholungen einer Struktur über eine bestimmte Strecke definiert und kann zur Charakterisierung beliebig komplexer Objekte verwendet werden. Die Küken wählten zwischen simultan dargebotenen Objekten, deren Oberflächen sich hinsichtlich ihrer Raumfrequenzen unterschieden. Die Ergebnisse weisen auf eine Spezialisierung der linken Hirnhälfte für hohe und der rechten Hirnhälfte für niedrige Raumfrequenzen hin. Aufgrund der Parallelen zu Befunden beim Menschen könnte dies auf eine gemeinsame Grundlage der Lateralisationsentwicklung bei Wirbeltieren hindeuten. Während sich die vorangehenden Studien der vorliegenden Arbeit mit Spezialisierungen der linken und rechten Hirnhälfte bei der Verarbeitung von Raum- und Objektinformation befassten, wurde in Kapitel 5 das Zusammenwirken von linker und rechter Hirnhälfte bei der selektiven Nahrungssuche untersucht. Hierbei konnte am Beispiel des Haushuhnkükens erstmals bei Vögeln Hemisphärenkooperation gezeigt werden, was als Hinweis darauf zu werten ist, dass eine bilaterale Repräsentation im Vogelhirn in komplexen Situationen, die eine rasche und effiziente Beurteilung des gesamten überschaubaren Bereichs erfordern, möglich ist. Insgesamt zeigen die Ergebnisse für mehrere wichtige Fragen der Lateralisationsforschung wie die Erfahrungsabhängigkeit, den Nachweis unterschiedlicher Lateralisationsmuster bei Brieftauben und Haushuhnküken in der geometrischen Orientierung oder die Kooperation der Hirnhemisphären, dass bisherige Ansichten über die Verarbeitung von Raum- und Objektinformation bei Vögeln einer kritischen Überarbeitung bedürfen

Lateralization of magnetic compass orientation in pigeons

The aim of our study was to test for lateralization of magnetic compass orientation in pigeons. Having shown that pigeons are capable of learning magnetic compass directions in an operant task, we wanted to know whether the brain hemispheres contribute differently and how the lateralization pattern relates to findings in other avian species. Birds that had learnt to locate food in an operant chamber by means of magnetic directions were tested for lateralization of magnetic compass orientation by temporarily covering one eye. Successful orientation occurred under all conditions of viewing. Thus, pigeons can perceive and process magnetic compass directions with the right eye and left brain hemisphere as well as the left eye and right brain hemisphere. However, while the right brain hemisphere tended to confuse the learned direction with its opposite (axial response), the left brain hemisphere specifically preferred the correct direction. Our findings demonstrate bilateral processing of magnetic information, but also suggest qualitative differences in how the left and the right brain deal with magnetic cues

Local sleep homeostasis in the avian brain: convergence of sleep function in mammals and birds?

The function of the brain activity that defines slow wave sleep (SWS) and rapid eye movement (REM) sleep in mammals is unknown. During SWS, the level of electroencephalogram slow wave activity (SWA or 0.5–4.5 Hz power density) increases and decreases as a function of prior time spent awake and asleep, respectively. Such dynamics occur in response to waking brain use, as SWA increases locally in brain regions used more extensively during prior wakefulness. Thus, SWA is thought to reflect homeostatically regulated processes potentially tied to maintaining optimal brain functioning. Interestingly, birds also engage in SWS and REM sleep, a similarity that arose via convergent evolution, as sleeping reptiles and amphibians do not show similar brain activity. Although birds deprived of sleep show global increases in SWA during subsequent sleep, it is unclear whether avian sleep is likewise regulated locally. Here, we provide, to our knowledge, the first electrophysiological evidence for local sleep homeostasis in the avian brain. After staying awake watching David Attenborough's The Life of Birds with only one eye, SWA and the slope of slow waves (a purported marker of synaptic strength) increased only in the hyperpallium—a primary visual processing region—neurologically connected to the stimulated eye. Asymmetries were specific to the hyperpallium, as the non-visual mesopallium showed a symmetric increase in SWA and wave slope. Thus, hypotheses for the function of mammalian SWS that rely on local sleep homeostasis may apply also to birds

Lateralization of magnetic compass orientation in pigeons

The aim of our study was to test for lateralization of magnetic compass orientation in pigeons. Having shown that pigeons are capable of learning magnetic compass directions in an operant task, we wanted to know whether the brain hemispheres contribute differently and how the lateralization pattern relates to findings in other avian species. Birds that had learnt to locate food in an operant chamber by means of magnetic directions were tested for lateralization of magnetic compass orientation by temporarily covering one eye. Successful orientation occurred under all conditions of viewing. Thus, pigeons can perceive and process magnetic compass directions with the right eye and left brain hemisphere as well as the left eye and right brain hemisphere. However, while the right brain hemisphere tended to confuse the learned direction with its opposite (axial response), the left brain hemisphere specifically preferred the correct direction. Our findings demonstrate bilateral processing of magnetic information, but also suggest qualitative differences in how the left and the right brain deal with magnetic cues