Entwicklung hemisphärischer Spezialisierungsmuster, ein Modell ontogenetischer Plastizität

• Antragstellerin: Professorin Dr. Martina Manns
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Allgemeine, Kognitive und Mathematische Psychologie ; Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247871126

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bei vielen Tierarten sind die linke und rechte Hirnhälfte darauf spezialisiert, unterschiedliche Funktionen zu übernehmen. Solche Asymmetrien beruhen auf strukturellen und physiologischen Links-Rechts-Unterschieden in neuronalen Netzwerken und führen zu einem komplexen Lateralisationsmuster mit unterschiedlicher hemisphärischer Dominanz für bestimmte Aspekte von Wahrnehmung, Kognition und Verhalten. Die breite Verbreitung von Hirnlateralisation im Tierreich zeigt, dass eine derartige neuronal Organisation grundlegende Fitnessvorteile haben muss, aber es ist immer noch unklar, wie die Hemisphären genau zusammenwirken, um Hemisphären-spezifische Verarbeitung zu vermitteln und zu integrieren, und wie die zugrundeliegenden Mechanismen ontogenetisch entstehen. Lateralisierte Hirnorganisation erfordert eine fein abgestimmte Orchestrierung intra- und interhemisphärischer Mechanismen, damit Hemisphären-spezifische Ressourcen Situationsangepasst und effizient genutzt werden. Dies wird besonders gut deutlich in Situationen, in denen es zu interhemisphärischen Konflikten kommt. Hemisphärische Spezialisierung bedeute ja, dass die beiden Hemisphären unterschiedliche Aspekte der Umwelt berücksichtigen, auf unterschiedliche sensorische Hinweise achten und sich in der Art der Informationsverarbeitung und Entscheidungsfindung unterscheiden. Dies kann zu interhemisphärischen Konflikten führen, wenn Objekte von gleicher Bedeutung in der linken und rechten Hemisphäre auftauchen und die beiden Hemisphären diese Situation unterschiedlich verarbeiten und bewerten, so dass sie unvereinbare Reaktionstendenzen hervorrufen. Da solche Konflikte die Entscheidungsfindung und das Antwortverhalten verlangsamen und daher potenziell evolutionär nachteilig sind, sollte ein hoher Selektionsdruck auf das Vorhandensein neuronaler Mechanismen zur Lösung interhemisphärischer Konflikte bestehen, die dazu führen, dass eine Hemisphäre solche Konfliktentscheidungen dominiert (sogenannte Metakontrolle). Um diese Mechanismen und ihre ontogenetischen Grundlagen zu untersuchen haben wir Tauben mit verschiedenen Arten von interhemisphärischen Konfliktsituationen konfrontiert. Unsere Experimente zeigen, dass die Dominanz einer Hemisphäre durch ein Zusammenspiel von intra- und interhemisphärischen Mechanismen entsteht, welches von den Aufgabenbedingungen und den ontogenetischen Lichterfahrungen beeinflusst wird. Optogenetische Manipulationsstudien belegen eine differenzierte Rolle spezifischer Vorderhirnareale, welche die interhemisphärischen Interaktionen und damit die Entscheidungsfindung und Verhaltenskontrolle verändern. Es ist wahrscheinlich, dass die Flexibilität interhemisphärischer Mechanismen eine entscheidende Komponente ist, welche spezialisierte Wahrnehmungs- und kognitive Verarbeitungskomponenten organisieren und integrieren. Diese Mechanismen sind vermutlich ein grundlegender Baustein für die evolutionären Vorteile lateralisierter Gehirne. Beeinträchtigungen könnten mit kognitiven Nachteilen bei Entwicklungsstörungen oder psychiatrischen Erkrankungen beim Menschen zusammenhängen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Dogs or cats? Categorization and hemispheric dominance in pigeons” 6th North Sea Laterality International Meeting
  Manns, Martina
  
• “Intra- and interhemispheric communication in a lateralized brain – lessons from the avian brain” Brain & Evolution – German-Japanese Summer school on Comparative Neuroscience of brain Evolution
  Manns, Martina
  
• A cat or a dog? Hemispheric dominance and categorization in pigeons. FCI Brieftaubenkongress für Tierärzte
  Manns, Martina
  
• Hemispheric Specialization. Encyclopedia of Animal Cognition and Behavior, 1-10. Springer International Publishing.
  Manns, Martina
  
• Light‐dependent development of the tectorotundal projection in pigeons. European Journal of Neuroscience, 52(6), 3561-3571.
  Letzner, Sara; Manns, Martina & Güntürkün, Onur
  
• Metacontrol based on categorization in the pigeon brain (4215) 12th FENS Forum on Neuroscience
  Manns, Martina; Otto, Tobias & Salm, Laurenz
  
• It Is Not Just in the Genes. Symmetry, 13(10), 1815.
  Manns, Martina
  
• Laterality for the next decade: Costs and benefits of neuronal asymmetries – putting lateralization in an evolutionary context. Laterality, 26(3), 315-318.
  Manns, Martina
  
• Pigeons show how meta-control enables decision-making in an ambiguous world. Scientific Reports, 11(1).
  Manns, Martina; Otto, Tobias & Salm, Laurenz
  
• Pigeons show how metacontrol enables decision-making in an ambiguous world. Laterality Friday –Laterality online colloquium
  Manns, Martina
  
• The phylogeny of brain asymmetries – benefits and drawbacks of a core organization principle across the animal kingdom First Turkish-German Summerschool on comparative neuroscience
  Manns, Martina
  
• Unfolding functional brain lateralization: the asymmetrical priors model 8th North Sea Laterality International Meeting
  Manns, Martina; Berretz, Gesa; Packheiser, Julian; Güntürkün, Onur & Ocklenburg, Sebastian
  
• Unilateral Lesions. Neuromethods, 265-305. Springer US.
  Manns, Martina