Zusammenfassung: Eine aktuelle Studie mit einem neuartigen Hunde-Gehirnatlas hat zu bedeutenden Erkenntnissen über die Entwicklung des menschlichen Gehirns geführt. Durch die Untersuchung der Gehirnaktivität bei Hunden mittels fMRT enthüllten die Forscher die entscheidende Rolle des cingulären Kortex und der lateralen Frontallappen bei der Problemlösung und beim Aufgabenwechsel.
Die Forschung verdeutlichte auch, wie Gehirnbereiche synchron funktionieren und aufgabenspezifische Netzwerke bilden. Diese innovative Studie bietet Potenzial für das Verständnis von Erkrankungen im Zusammenhang mit der Kommunikation und Integration im Gehirnbereich, einschließlich Alterung, Angstzuständen und psychiatrischen Störungen.
Wichtige Fakten:
- Die Studie nutzte einen neuen fMRI-Gehirnatlas im Ruhezustand von Hunden, um die Gehirnaktivität des Hundes zu analysieren und zeigte die wichtige Rolle des cingulären Kortex bei der Entwicklung des Gehirns von Säugetieren auf.
- An der Studie nahmen 33 trainierte Familienhunde teil, und die fMRT-Aufnahmen wurden im Ruhezustand der Hunde gemacht.
- Der neue rs-fMRI-Gehirnatlas könnte bei der Untersuchung von Erkrankungen hilfreich sein, bei denen die Integration und Kommunikation zwischen Gehirnbereichen beeinträchtigt ist, wie etwa Alterung, Angstzustände und psychiatrische Störungen.
Quelle: ELTE
Eine Studie über Gehirnnetzwerke von Hunden zeigt, dass während der Evolution des Gehirns von Säugetieren die Rolle des cingulären Cortex, einer tief in der Großhirnrinde gelegenen bilateralen Struktur, teilweise von den seitlichen Frontallappen übernommen wurde, die das Lösen von Problemen, das Umschalten von Aufgaben usw. steuern. und zielgerichtetes Verhalten.
Die Studie basiert auf einem neuen fMRI-Gehirnatlas im Ruhezustand von Hunden, der bei der Analyse von Krankheiten helfen kann, die durch dysfunktionale Integration und Kommunikation zwischen Gehirnbereichen gekennzeichnet sind.
Forscher, die sich dafür interessieren, wie Hunde denken, können dies nicht nur aus ihrem Verhalten ableiten, sondern auch ihre Gehirnaktivität mithilfe der fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie) untersuchen, um zu identifizieren und zu sehen, welche Bereiche des Gehirns aktiv sind, wenn der Hund auf äußere Reize reagiert.
Die Methode identifiziert die Gehirnmechanismen, die das Lernen und Gedächtnis des Hundes beeinflussen, was zu überlegenen Hundetrainingsmethoden sowie zu Erkenntnissen über die Evolutionsschritte führt, die zur Entwicklung der menschlichen Gehirnfunktion führten.
Die Abteilung für Ethologie der Eötvös-Loránd-Universität (ELTE) ist seit 2006 führend bei der Entwicklung der Methodik für fMRT-Messungen bei Hunden.
Die Trainingsmethode für Haushunde wurde von Márta Gácsi entwickelt, die auch maßgeblich zur Einführung der Assistenzhundeausbildung in Ungarn beigetragen hat.
Von dort übernahm sie viele Methoden und ergänzte sie durch sozial motiviertes Training, das auf konkurrierenden Trainingsprinzipien basiert, die durch ethologische Forschung entdeckt wurden.
„Bei diesem Ansatz wird der Lernende stark motiviert, die Aufgabe zu lernen, indem er die Arbeit eines bereits ausgebildeten Hundes beobachtet und sich das dafür erhaltene Lob wünscht. Als Ergebnis des fMRT-Trainings ist der trainierte Hund in der Lage (und will es auch!) acht Minuten lang regungslos im MRT-Scanner liegen, im Austausch für erwartete Streicheleinheiten und Leckerlis.“
In den letzten Jahren ging es bei der fMRT bei Hunden im Allgemeinen darum, den Tieren Geräusche vorzuspielen und zu untersuchen, welche Gehirnbereiche bei der Verarbeitung der Geräusche im Gehirn aktiviert werden.
Gehirnaktivitätssignale werden typischerweise auf einen anatomischen Atlas projiziert, um festzustellen, welche Gehirnregion betroffen ist.
Das Problem besteht jedoch darin, dass funktionelle Aktivitäten unregelmäßig sind und nicht unbedingt anatomisch definierten regelmäßigen Grenzen folgen. Teile des Gehirns sind im Allgemeinen an der gemeinsamen Verarbeitung spezifischer Eingaben beteiligt, das heißt, sie agieren synchron und bilden ein funktionelles Gehirnnetzwerk.
„Wir haben beschlossen, einen Atlas des Hundegehirns zu erstellen, der anatomische Regionen in funktionelle Netzwerke organisiert, zeigt, welche Regionen zu einem Aufgabentyp gehören und ihre Lage zeigt.“ sagte Dora Szabo, Erstautorin der in veröffentlichten Studie Struktur und Funktion des Gehirns.
Neuer Atlas für Hundehirnforscher
Zur Erstellung des funktionellen Gehirnatlas wurden 33 ausgebildete Familienhunde in die Studie einbezogen. Während der fMRT-Aufnahme wurde den Hunden keine andere Aufgabe gestellt, als ruhig im Scanner zu liegen.
Dabei handelt es sich um das sogenannte Ruhezustands-fMRT, kurz rs-fMRT, bei dem die Gehirnaktivität untersucht wird, ohne dass sich der Proband einer bestimmten Aufgabe widmet, ohne sich zu konzentrieren oder an etwas Bestimmtes zu denken, im „Ruhezustand“.
Auf diese Weise gewonnene Daten können Aufschluss darüber geben, welche Gehirnbereiche funktionell miteinander verbunden sind und welche am engsten miteinander verbunden sind, sodass Forscher Netzwerke und Verbindungen im Gehirn untersuchen können.
Die ursprüngliche Methodik wurde durch die Anwendung der Netzwerktheorie mit Hilfe von Milan Janosov, einem Netzwerk- und Datenwissenschaftler an der Central European University, weiter verbessert.
Während frühere Forschungen nur modellbasierte Netzwerke unabhängig von anatomischen Grenzen beschreiben konnten, ermöglichten neue MRT-Gehirnatlanten von Hunden, die die anatomischen Regionen in der erforderlichen Auflösung widerspiegeln, den Forschern die Untersuchung der Stärke der Verbindungen zwischen Netzwerkmitgliedern oder zwischen Netzwerken sowie den Vergleich von Arten aufgrund dieser die große Anzahl der gemessenen Hunde.
Gehirne werden bei Hunden und Menschen von unterschiedlichen Bereichen dominiert
Laut der Studie spielen Netzwerke im lateralen Frontallappen (Frontoparietal), die Problemlösung, Aufgabenwechsel und zielgerichtetes Verhalten steuern, bei Hunden eine geringere Rolle als beim Menschen. An ihrer Stelle spielt der cinguläre Cortex, eine bilaterale Struktur tief in der Großhirnrinde, eine zentrale Rolle.
Es ist an einer Reihe lebenswichtiger Prozesse sowie an der Belohnungsverarbeitung und Emotionsregulation beteiligt. Der cinguläre Kortex ist bei Hunden proportional größer als beim Menschen.
Die Auswirkungen des Alterns
Die Forscher vermaßen Hunde unterschiedlichen Alters, der älteste war 14 Jahre alt. Wie bereits erwähnt, müssen die Hunde bewegungslos liegen, um gültige Messungen zu erhalten.
„Die Daten zeigten, dass ältere Hunde etwas schlechter in der Lage waren, ihre Ausgangsposition beizubehalten.
„Dieser Unterschied war jedoch sehr gering, da selbst in ihrem Fall die Verschiebung des Kopfes weniger als 0,4 mm betrug. In dieser Hinsicht ähneln sie Menschen, da es für ältere Menschen im Vergleich zu jüngeren Menschen auch schwieriger ist, über längere Zeiträume still zu bleiben.“ sagte Eniko Kubinyi, eine leitende Forscherin, die das kognitive Altern bei Hunden untersucht.
„Die Studie bietet einen Einblick in die Entwicklung des menschlichen Gehirns und legt nahe, dass während der Gehirnentwicklung von Säugetieren die Rolle des cingulären Kortex teilweise von frontoparietalen Regionen übernommen wurde.“
Darüber hinaus kann der neue rs-fMRI-Gehirnatlas bei der Untersuchung von Erkrankungen helfen, bei denen die Integration und Kommunikation zwischen Gehirnbereichen beeinträchtigt ist und es zu einer dysfunktionalen Aufgabenteilung kommt. Alter, Angstzustände und psychiatrische Störungen sind einige Beispiele für solche Erkrankungen.
Finanzierung: Das Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC, 680040), von der Ungarischen Akademie der Wissenschaften über einen Zuschuss an die MTA-ELTE „Lendület/Momentum“ Companion Animal Research Group (PH1404/21) und vom National Brain Program 3.0 gefördert (NAP2022-I-3/2022) sowie die ELKH-ELTE Comparative Ethology Research Group (01031).
Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung
Autor: Sara Böhm
Quelle: ELTE
Kontakt: Sara Bohm – ELTE
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News
Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang.
„Zentrale Knoten funktioneller Gehirnnetzwerke bei Hunden sind im Gyrus cinguli konzentriert“ von Márta Gácsi et al. Struktur und Funktion des Gehirns
Abstrakt
Zentrale Knoten funktioneller Gehirnnetzwerke bei Hunden sind im Gyrus cinguli konzentriert
Im Vergleich zum Bereich der menschlichen fMRT ist das Wissen über funktionelle Netzwerke bei Hunden dürftig. In diesem Artikel präsentieren wir die erste anatomisch definierte ROI-basierte funktionelle Netzwerkkarte des Gehirns von Begleithunden. Wir haben 33 wache Hunde in einem „aufgabenfreien Zustand“ gescannt.
Unsere trainierten Probanden bleiben, ähnlich wie Menschen, beim Scannen bereitwillig bewegungslos. Unser Ziel ist es, eine Referenzkarte mit einer aktuell besten Schätzung für die Organisation der Großhirnrinde, gemessen an der funktionellen Konnektivität, bereitzustellen.
Die Ergebnisse erweitern eine frühere räumliche ICA-Studie (Independent Component Analysis) (Szabo et al. in Sci Rep 9(1):1.25. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51752-2, 2019). Die aktuelle Studie umfasst (1) mehr Probanden und (2) ein verbessertes Scanprotokoll, um asymmetrische seitliche Verzerrungen zu vermeiden.
Bei Hunden führte das Altern, ähnlich wie beim Menschen (Sacca et al. in J Neurosci Methods. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2021.109084, 2021), zu einer zunehmenden rahmenweisen Verschiebung (d. h. Kopfbewegung) im Scanner.
Trotz der inhärent unterschiedlichen Ansätze zwischen modellfreiem ICA und modellbasiertem ROI weisen die resultierenden funktionalen Netzwerke eine bemerkenswerte Ähnlichkeit auf.
In der vorliegenden Studie konnten wir jedoch kein bestimmtes Hörnetzwerk erkennen. Stattdessen identifizierten wir zwei stark verbundene, lateralisierte Multiregionennetzwerke, die sich auf nichthomotrope Regionen (Sylvian L, Sylvian R) erstrecken, einschließlich der jeweiligen Hörregionen, zusammen mit dem assoziativen und sensomotorischen Kortex und dem Inselkortex.
Die Aufmerksamkeits- und Kontrollnetzwerke wurden nicht in zwei vollständig getrennte, dedizierte Netzwerke aufgeteilt. Insgesamt waren bei Hunden die frontoparietalen Netzwerke und Hubs weniger dominant als beim Menschen, wobei der Gyrus cinguli eine zentrale Rolle spielte.
Das aktuelle Manuskript stellt den ersten Versuch dar, funktionelle Netzwerke des gesamten Gehirns bei Hunden mithilfe eines modellbasierten Ansatzes abzubilden.