Vogel-Pupillen verhalten sich anders als erwartet
Die Pupille regelt nicht nur den Lichteinfall ins Auge, sondern spiegelt den Zustand des wachen Gehirns wider. Sind wir erregt oder konzentriert, erweitern sich die Pupillen. Die Pupille verändert sich sogar, wenn Säugetiere schlafen. Sie verengt sich im tiefen nicht-REM Schlaf und erweitert sich im REM-Schlaf. Nun haben Forschende am Max-Planck-Institut für Ornithologie und Kollegen erstmals das Pupillenverhalten in Vögeln untersucht. Überraschenderweise passiert hier genau das Gegenteil: In Erregung und im REM-Schlaf werden die Pupillen kleiner, im nicht-REM Schlaf hingegen vergrößern sie sich. Das unerwartete Pupillenverhalten von Vögeln bietet damit neue Einblicke ins schlafende Gehirn.
Published: 19.10.2021
Die Pupille nimmt beim Sehen eine zentrale Rolle ein. Sie ist die Öffnung in der Mitte der Augen, welche reguliert, wie viel Licht auf die Netzhaut fällt. Ist es dunkel, wird die Pupille groß und lässt viel Licht durch – ist es hell, wird sie klein und verhindert, dass wir geblendet werden. Sie regelt jedoch nicht nur den Lichteinfall, sondern spiegelt Emotionen und den Zustand des Gehirns wider. Sind wir zum Beispiel erregt oder konzentriert, vergrößern sich die Pupillen – ohne, dass wir darauf Einfluss nehmen können.
In Vögeln wurden die Pupillengrößen noch nie systematisch untersucht. Dabei sind schnelle Pupillenverengungen unter Papageienbesitzern ein bekanntes Merkmal der Körpersprache der Vögel. Gianina Ungurean aus der Forschungsgruppe von Niels Rattenborg am Max-Planck-Institut für Ornithologie in Seewiesen und Kollegen am Neurosciences Research Center in Lyon untersuchte nun das Pupillenverhalten in Tauben. Überraschend für die Wissenschaftler:innen war, dass die Pupillen männlicher Tauben bei der Balz kleiner wurden – im Gegensatz zu Säugetieren, bei denen sich bei Erregung die Pupillen weiten.
Kürzlich würde an Mäusen gezeigt, dass sich die Pupillengröße auch im Schlaf verändert: Im tiefen nicht-REM Schlaf mit ruhigen Verhalten verkleinern sich die Pupillen; im aktiveren REM-Schlaf können sie sich langsam erweitern. Das Team untersuchte daher als nächstes das Pupillenverhalten von schlafenden Vögeln. Die durchsichtigen Augenlider der Tauben und ein spezielles Kamerasystem ermöglichten es den Wissenschaftler:innen, die Pupillengröße selbst bei geschlossenen Augen und im Dunkel aufzuzeichnen. Auch hier machten die Vogel-Pupillen wieder das Gegenteil, sie erweiterten sich im nicht-REM Schlaf. Im REM-Schlaf hingegen verengten sich die Vogel-Pupillen blitzschnell über tausendmal pro Nacht. Dieses Phänomen nennen die Wissenschaftler:innen rapid iris movement.
Die Forschenden konnten das Pupillenverhalten der Tauben genau so auch in einer Kuckucksart nachweisen. Das lässt vermuten, dass es sich um ein generelles Merkmal von Vögeln handelt. „Dies zeigt uns, dass grundlegende Verhaltensweisen wie die Pupillengröße in verschiedenen Tiergruppen völlig voneinander abweichen können“, erklärt Niels Rattenborg, Leiter der Studie. „Die Untersuchung dieses Unterschieds veranlasst uns womöglich dazu, unser allgemeines Verständnis des Pupillenverhaltens zu überdenken.“
Die Pupillengröße wird in Vögeln und Säugetieren durch unterschiedliche Muskeltypen in der Regenbogenhaut geregelt. Säugetiere nutzen glatte Muskeln, welche sich nicht willentlich steuern lassen. Vögeln dahingehen regulieren die Pupille durch gestreifte Muskeln, solche die zum Beispiel unsere Arme oder Beine bewegen. Die Forschenden konnten diesen strukturellen Aspekt als eine mögliche Ursache für das unterschiedliche Pupillenverhalten bestätigen: Legten sie mittels eines Medikaments Rezeptoren still, welche gestreifte Muskelzellen aktivieren, verengten die Tauben im Schlaf ihre Pupillen nicht mehr.
„Die Pupillenverkleinerung im schlafenden Vogel erfüllt wahrscheinlich wichtige Funktionen“, erklärt Gianina Ungurean. „Es ist möglich, dass durch die Verengung die Feinmotorik des Muskels geübt wird. Vielleicht ist es aber auch ein Zeichen, dass Gehirnregionen, die im wachen Zustand bei Erregung aktiviert werden, im REM Schlaf wieder aktiv sind – möglicherweise, wenn Erinnerungen wiedergegeben werden.“ In diesem Zusammenhang könnten die Pupillenverengungen dabei helfen, festzustellen, wann und wie das schlafende Gehirn Erinnerungen verarbeitet.
Die Tatsache, dass Vögel ihre Pupillengröße durch gestreifte Muskeln regulieren und diese meist willentlich gesteuert werden, eröffnet eine spannende Frage: Können Vögel die Größe ihre Pupillen etwa gewollt verändern? Zukünftige Untersuchungen sollen der Frage nun nachgehen und klären, welche Rolle die Pupillen bei der Kommunikation zwischen Vögeln spielen.
Pupille
Pupille/-/pupil
Die Öffnung des Auges, durch die Licht ins Innere fällt. Die Größe der Pupille wird durch die Iris bestimmt und verändert sich reflexartig (Pupillenreflex). Dieser Prozess der Anpassung an die Umgebungshelligkeit wird als Adaptation bezeichnet.
Netzhaut
Netzhaut/Retina/retina
Die Netzhaut oder Retina ist die innere mit Pigmentepithel besetzte Augenhaut. Die Retina zeichnet sich durch eine inverse (umgekehrte) Anordnung aus: Licht muss erst mehrere Schichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) trifft. Die Signale der Fotorezeptoren werden über den Sehnerv in verarbeitende Areale des Gehirns weitergeleitet. Grund für die inverse Anordnung ist die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Netzhaut, es handelt sich um eine Ausstülpung des Gehirns.
Die Netzhaut ist ca 0,2 bis 0,5 mm dick.
Emotionen
Emotionen/-/emotions
Unter „Emotionen“ verstehen Neurowissenschaftler psychische Prozesse, die durch äußere Reize ausgelöst werden und eine Handlungsbereitschaft zur Folge haben. Emotionen entstehen im limbischen System, einem stammesgeschichtlich alten Teil des Gehirns. Der Psychologe Paul Ekman hat sechs kulturübergreifende Basisemotionen definiert, die sich in charakteristischen Gesichtsausdrücken widerspiegeln: Freude, Ärger, Angst, Überraschung, Trauer und Ekel.
REM-Schlaf
REM-Schlaf/-/REM sleep
„REM“ steht für „rapid eye movement“ – und rasche Augenbewegungen sind auch charakteristisch für den REM-Schlaf. Im Laufe einer Nacht durchleben wir mehrere solcher REM-Phasen, die von non-REM-Phasen unterbrochen werden. REM-Schlaf zeichnet sich durch schnelle Augenbewegungen aus, niedrig-amplitudige Hirnaktivität gemischter Frequenzen sowie einem reduzierten Muskeltonus. Puls und Atemfrequenz sind dagegen erhöht. Zudem träumen wir während dieser Phasen besonders bildhaft und intensiv. Menschen, die aus dem REM-Schlaf geweckt werden, berichten häufig bildhafte, konkrete und auch emotionale Träume, während nach dem Wecken aus dem non-REM-Schlaf eher abstraktere und an Gedanken erinnernde Träume berichtet werden.
Auge
Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb
Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.
Iris
Iris/Iris/iris
Die Bezeichnung Regenbogenhaut geht auf die Pigmentfärbung der Iris zurück. Je nach Umgebungshelligkeit verändert sich ihre Größe, und damit auch die der Pupille.
Rezeptor
Rezeptor/-/receptor
Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.
Originalpublikation
Pupillary behavior during wakefulness, non-REM sleep, and REM sleep in birds is opposite that of mammals (2021). Gianina Ungurean, Dolores Martinez-Gonzalez, Bertrand Massot, Paul-Antoine Libourel*, Niels Christian Rattenborg*
Current Biology
