Wie der Simulander vom Salamander lernt, oder warum ein kleines Hirn Großes leisten kann. - wissenschaft.de
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Wie der Simulander vom Salamander lernt, oder warum ein kleines Hirn Großes leisten kann.

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Wer einem Schleuderzungensalamander bei der Jagd zuschaut, dem wird die blitzschnelle Geschwindigkeit genauso faszinieren, wie die eindrucksvolle Treffsicherheit, mit der diese Amphibien ihre Zunge auf das Beutetier schnellen lassen. Bisher war man immer davon ausgegangen, dass das Beutefangverhalten von Amphibien auf der instinktiven Erkennung sehr einfacher Strukturen und Merkmale beruht. Wissenschaftler an der Universität Bremen sind da allerdings ganz anderer Meinung. Sie haben sich Bau und Funktion der winzigen Hirne von Schleuderzungensalamandern genauer angeschaut und fanden heraus, dass sie dem unseren in einigen Leistungen erstaunlich ähnlich sind.

Wolfgang Wiggers, Mitarbeiter am Institut für Hirnforschung erzählt, dass die Schleuderzungensalamander durchaus in der Lage sind, sowohl die Position als auch die genaue Entfernung eines Beutetieres zu erfassen. Selbst schnell vorbei fliegende Insekten haben kaum ein Chance, zumal die Salamander sogar deren Flugbahn vorhersehen können. Je nachdem steuern sie ihre bis zu fünf Zentimeter lange und mit einem klebrigen Polster besetzte Zunge haargenau ins Ziel. Wiggers ist sich sogar sicher, dass die kleinen Amphibien Geschmack besitzen: sie wissen was gut schmeckt. Wenn sie es sich leisten können, liegen sie so lange auf der Lauer, bis ihnen ein besonders leckerer Happen über den Weg läuft.

Das Gehirn der Schleuderzungensalamander ist gerade einmal zwischen drei und zehn Millimeter lang und besteht aus etwa einer Million Nervenzellen. Zum Vergleich: das menschliche Gehirn hat rund 500 Milliarden, das der Katze immerhin noch drei Milliarden Neuronen. Umso erstaunlicher ist, dass das kleine Gehirn des Salamanders zu derartigen Leistungen fähig ist. Bei der Untersuchung des Raumorientierungsvermögens der Salamander gehen die Bremer Wissenschafter unter der Leitung von Gerhard Roth und Helmut Schwegler zwei Wege. Zum einen gilt es, im Gehirn die Regionen zu identifizieren, die auf ganz bestimmte Reize reagieren, zum anderen sollen diese komplexen Vorgänge im Rahmen eines neuronalen Netzwerkes simuliert werden.

Wer treffen will, muss gut zielen können

Bei den neurophysiologischen Untersuchungen geht es um die Aufklärung der Mechanismen, mit denen ein vom Auge wahrgenommener Reiz zu einer gezielten Muskelreaktion führt. Das Tier muss nicht nur unterscheiden, ob es die Zunge zum Beutefang einsetzen soll oder bei Feindberührung den Rückzug antreten sollte – es muss auch noch treffen.

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Durch das Anfärben von Nervenzellen, und das Messen ihrer Reaktionen auf bestimmte Reize konnten die Neurobiologen Aufbau und Vernetzung jener Hirnteile beschreiben, in denen Informationen wie Größe, Form, Bewegung und Standort der Beute verarbeitet werden. Dabei fanden sie heraus, dass nicht etwa spezialisierte Nervenzellen für bestimmte Reaktionen verantwortlich sind. Vielmehr ergibt sich die Berurteilung ihrer Umwelt aus dem Zusammenspiel größerer Neuronengruppen.

Man nennt diese Art der Verarbeitung Populationscodierung, das heißt, auch wenn die einzelnen Hirnteile weitgehend auf bestimmte Aufgaben spezialisiert sind, können wichtige Entscheidungen, wie die Unterscheidung von „Beute“ und „Feind“ oder von „wohl-“ und „schlechtschmeckend“ nur in Zusammenarbeit mehrerer Zentren getroffen werden. Obwohl das Salamanderhirn also um Größenordnungen kleiner als das von Säugetieren ist, ähnelt es ihm damit nicht nur im prinzipiellen Aufbau, sondern auch in der Funktionsweise. Die Steuerung der Muskeln, die schließlich den gezielten Zungenschlag auslösen, erfolgt dabei über die Auswertung der Eindrücke, die der Salamander in seinem Gesichtsfeld erkennt. Die Richtung in der sich ein Objekt befindet, das heißt, ob es sich eher links oder rechts, oben oder unten befindet ist für den Salamander leicht zu klären, und obwohl er seine Zunge auch seitlich heraus schnellen lassen kann, dreht er in der Regel doch zunächst seinen Kopf in die optimale Schussposition.

Der Ort der Netzhautreizung wird über den Sehnerv im Mittelhirndach (Tectum opticum) ausgewertet. Dieses visuelle Hauptzentrum der Amphibien zeichnet sich vor allem durch eine sehr genaue Karte des Gesichtsfeldes aus. Von hier aus können die Fortsätze von Nervenzellen direkten Einfluss auf die Motorneurone nehmen, die ihrerseits die Nackenmuskeln des Tieres steuern. Schwieriger ist es aber, die genaue Entfernung eines Objektes im Gesichtsfeld abzuschätzen. Beobachtungen zeigen nämlich, dass der Salamander seinen Zungenschlag wohl dosiert einsetzt.

Bei uns Menschen funktioniert die Bestimmung der Entfernung durch die Linsenakkommodation, was dem Scharfstellen eines Kameraobjektives entspricht, und die Augenkonvergenz, das heißt der Fixierung eines Objektes mit beiden Augen. Aufgrund der Anatomie der Salamanderaugen spielen Akkommodation und Konvergenz höchstens eine untergeordnete Rolle, zum stereoskopischen Sehen sind sie aber sehr wohl geeignet. Die Bestimmung der Entfernung erfolgt dabei über die Auswertung der beiden, auf der Netzhaut des linken und des rechten Auges unterschiedlichen Bilder.

Der Simulander zeigt, was der Salamander kann

Das erstaunliche Ergebnis dieser Beobachtungen ist, dass das Salamanderhirn trotz der geringen Zahl von Nervenzellen zu einer sehr komplizierten und interaktiven Informationsverarbeitung fähig ist. Der Physiker Christian Eurich hat sich deshalb daran gemacht, die Wahrnehmungsmechanismen des Salamanders in Form eines neuronalen Netzwerkes nachzubilden. Das Ergebnis sind zwei Simulationsmodelle mit den treffenden Namen Simulander I und II. Bei diesen Netzwerkmodellen werden den Nervenzellen entsprechende Modellneuronen miteinander verknüpft, das heißt sie können miteinander in Wechselwirkung treten. Der Simulander I soll dabei die Kopfbewegung des Salamanders simulieren, Simulander II hingegen die Ansteuerung der Schleuderzunge, was eine präzise Ermittlung der Objektentfernung voraussetzt. Was die mathematische Simulation mit neuronalen Netzwerken so vorteilhaft macht, ist deren Lernfähigkeit. Dazu werden die Parameter der künstlichen Nervenzellen in einer Trainingsphase mit Hilfe von mathematischen Verfahren optimiert.

Im Falle des Simulanders I ist es Christian Eurich auf diese Weise gelungen, die Reaktion der Neuronen so einzustellen, dass der Winkel zwischen der Richtung zur Beute und der Salamanderblickrichtung minimal wurde. Anders ausgedrückt, eine bewegte Beute wird von dem neuronalen Netz erfasst und so verfolgt, dass sie sich zu jeder Zeit im Blickfeld befindet. Mit dem Simulander II gelang in ganz ähnlicher Weise die Simulation des Zungenschnellens.

Immerhin feuerte der Rechner bei einer Schussentfernung von einem bis fünf Zentimetern auf zwei Millimeter genau. Er „wusste“ auch, dass es wenig Zweck hatte, seine fünf Zentimeter lange „Zunge“ auf eine weiter entfernte Beute zu zielen. In diesem Fall sparte er sich die Mühe.

Die wichtigste Erkenntnis dieser Simulationen ist die Bestätigung der neurophysiologisch gewonnenen Erkenntnisse. Die Wechselwirkung der Nervenzellen, das neuronale Netzwerk also, ist auch bei einer geringen Zahl von Neuronen zu sehr komplexen Leistungen fähig. Dem Erkennen der Beute folgt die Ausrichtung des Kopfes, die Abschätzung der Entfernung und, ist die Beute nahe genug, die Auslösung der klebrigen Zunge. Aber auch das Leben eines Salamanders hat seine Tücken. Was da zunächst als leckere Stubenfliege durchs Gesichtsfeld flog, hat sich Bruchteile einer Sekunde später vielleicht mit einem heftigen Stich in den Gaumen gerächt. Aber genau wie ein neuronales Netz, ist auch der Salamander lernfähig, er wird diesen Fehler seiner Jugend in Zukunft nicht noch einmal machen.

Joachim Schüring
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