Einerseits sieht diese Kopfbedeckung aus wie etwas, das ein Cyberfisch tragen würde. Andererseits ist es nicht weit von einem modischen Statement entfernt, das jemand beim Kentucky Derby abgeben könnte.
Aber Wissenschaftler haben dieses Gerät nicht nur zum Lachen angebracht: Sie sind neugierig auf die zugrunde liegenden Gehirnmechanismen, die es Fischen ermöglichen, durch ihre Welt zu navigieren, und wie diese Mechanismen mit den evolutionären Wurzeln der Navigation für alle Lebewesen mit Gehirnschaltkreisen zusammenhängen.
„Navigation ist ein äußerst wichtiger Aspekt des Verhaltens, weil wir navigieren, um Nahrung zu finden, Schutz zu finden und Raubtieren zu entkommen“, sagte Ronen Segev, ein Neurowissenschaftler an der Ben-Gurion-Universität des Negev in Israel, der Teil eines Teams war, das 15 passte Fisch mit kybernetischer Kopfbedeckung für eine Studie, die am Dienstag in der Fachzeitschrift PLOS Biology veröffentlicht wurde.
Einen Computer auf einen Goldfisch zu setzen, um zu untersuchen, wie die Neuronen in seinem Gehirn beim Navigieren feuern, war nicht einfach.
Es erfordert eine sorgfältige Hand, denn das Gehirn eines Goldfisches, das ein bisschen wie eine kleine Ansammlung von Linsen aussieht, ist nur einen halben Zoll lang. „Unter einem Mikroskop haben wir das Gehirn freigelegt und die Elektroden hineingesteckt“, sagte Lear Cohen, ein Neurowissenschaftler und Doktorand bei Ben-Gurion, der die Operationen zum Anbringen der Geräte durchführte. Jede dieser Elektroden hatte den Durchmesser einer menschlichen Haarsträhne.
Es war auch schwierig, einen Weg zu finden, das Verfahren auf trockenem Land durchzuführen, ohne die Testperson zu verletzen. „Der Fisch braucht Wasser und Sie brauchen ihn, damit er sich nicht bewegt“, sagte er. Er und seine Kollegen lösten beide Probleme, indem sie Wasser und Betäubungsmittel in das Maul des Fisches pumpten.
Sobald die Elektroden im Gehirn waren, wurden sie mit einem kleinen Aufzeichnungsgerät verbunden, das die neuronale Aktivität überwachen konnte und das in einem wasserdichten Gehäuse versiegelt war, das auf der Stirn des Fisches montiert war. Damit der Computer den Fisch nicht beschwert und seine Schwimmfähigkeit beeinträchtigt, befestigten die Forscher das Gerät mit schwimmfähigem Kunststoffschaum.
Nachdem sie sich von der Operation erholt hatten, debütierten die Fische in einem Experiment mit ihrer Kopfbedeckung. Der Goldfisch navigierte durch einen zwei Fuß langen und sechs Zoll breiten Tank. Je näher die Fische an den Rand des Beckens schwammen, desto mehr leuchteten die Navigationszellen in ihrem Gehirn auf.
Der Gehirncomputer des Fisches trug dazu bei, zu zeigen, dass Goldfische ein Navigationssystem verwenden, das sich geringfügig von dem unterscheidet, was Wissenschaftler bei Säugetieren gefunden haben. Für Menschen (und andere Mitglieder unserer Klasse) sind Navigationszellen darauf spezialisiert, unseren genauen Standort in unserer Umgebung zu pingen und eine Karte um diesen Punkt herum zu erstellen. Säugetiere haben spezialisierte Neuronen, die diese „Du bist hier“-Nadeln in ihren mentalen Landkarten erstellen; Die Forscher fanden diese Zellen nicht in Fischen.
Stattdessen verlassen sich Goldfische auf eine Art Neuron, das feuert, um das Tier wissen zu lassen, dass es sich einer Grenze oder einem Hindernis nähert. Durch die Kombination der Informationen, wie weit er von verschiedenen Hindernissen entfernt ist, kann sich der Fisch im Raum orientieren.
Das Navigationssystem von Säugetieren, sagte Dr. Segev, läuft auf Zellen hinaus, die ein Tier bestimmen lassen: „Ich bin hier, ich bin hier, ich bin hier.“ Bei Goldfischen, sagte er, arbeiten die Zellen daran, eine andere Botschaft zu vermitteln: „Ich bin in dieser Position entlang dieser Achse und diese Position entlang einer anderen Achse.“
Herr Cohen vermutet, dass die Variationen in den Navigationskreisläufen der Tiere den unterschiedlichen Herausforderungen entsprechen könnten, denen sie gegenüberstehen, wenn sie sich in ihren Lebensräumen fortbewegen. Zum Beispiel, sagte er, könnten die sich ständig verändernden Strömungen eines Wasserhauses bedeuten, dass es für Fische „einfacher ist, die Entfernung von einem hervorstechenden Merkmal in der Umgebung zu kennen, als eine genaue Position zu kennen“.
Alle Experimente wurden vom Tierschutzausschuss der Universität genehmigt und die Forscher euthanasierten die Fische nach ihren Schwimmversuchen, damit sie ihre Gehirne weiter untersuchen konnten. Das Team hofft, weiterhin lernen zu können, wie und warum sich die Navigationssysteme der Fische von unseren unterscheiden.
Adelaide Sibeaux, eine Biologin an der Universität Oxford, die nicht an der Studie beteiligt war, sagte, sie finde das Projekt „ziemlich erstaunlich“ und wichtig.
„Wir modifizieren die Umgebung vieler Tiere, und wenn Sie verstehen, wie ein Tier navigiert, werden Sie wissen, ob es in der Lage ist, mit den Veränderungen fertig zu werden, die sich derzeit in der Welt ereignen“, sagte Dr. Sibeaux; bei Fischen könnte dies Wasser einschließen, das aufgrund von Verschmutzung trüber wird.