Elektroenzephalographie-Messungen bei wachen Weißbüschelaffen, die den Lautäußerungen von Artgenossen lauschen

Primaten verwenden artspezifische Lautäußerungen, um biologisch wichtige Informationen zu übermitteln, wie z. B. den emotionalen Zustand des Rufers oder die Absicht, soziale Bindungen aufrechtzuerhalten, die Anwesenheit von Raubtieren oder andere gefährliche Situationen. Die Untersuchung der neuronalen Mechanismen, die der Wahrnehmung der Lautäußerung bei stimmreichen nichtmenschlichen Primaten zugrunde liegen, kann uns entscheidende Hinweise liefern, um die evolutionären Ursprünge der menschlichen Sprache besser zu verstehen.

Weißbüschelaffen sind kleine Primaten, die in Südamerika beheimatet sind. In den letzten Jahren wurden Weißbüschelaffen aufgrund ihrer hohen Fortpflanzung, ihrer Benutzerfreundlichkeit aufgrund ihrer geringen Größe und der Entwicklung nützlicher transgener Techniken zunehmend als Modelltiere neben Makaken eingesetzt ^1,2,3. Neben ihrem Nutzen als Krankheitsmodell ist die reichhaltige vokale Kommunikation innerhalb von Gruppen ein weiteres einzigartiges Merkmal dieser Art 4,5,6,7. Weißbüschelaffen tauschen routinemäßig Stimmsignale aus, um mit unsichtbaren Artgenossen im Wald zu kommunizieren. Durch die Untersuchung der Gehirnaktivität, die an der Stimmwahrnehmung und -produktion bei Weißbüschelaffen beteiligt ist, können wir feststellen, wie sie die auditiven Informationen ihrer eigenen oder artverwandten Rufe im Gehirn verarbeiten und welche neuronalen Schaltkreise daran beteiligt sind. Frühere Studien haben gezeigt, dass die neuronale Aktivität im primären auditorischen Kortex 8,9,10,11,12 und im frontalen Kortex ^13,14 an der Stimmproduktion bei Weißbüschelaffen beteiligt ist. Darüber hinaus wurden diese erregten und unterdrückten neuronalen Reaktionen durch auditiv-vokale Interaktionen im primären auditorischen Kortex moduliert ^8,10. Diese Studien lieferten detaillierte Daten zur neuronalen Aktivität auf der Ebene einzelner Neuronen mit invasiven Aufzeichnungsmethoden. Zahlreiche Studien haben die neuronale Aktivität, die an der Stimmproduktion von Weißbüschelaffen beteiligt ist, weiter untersucht. Die stimmliche Wahrnehmung ist jedoch nach wie vor wenig verstanden^15,16.

Mehrere nicht-invasive bildgebende Studien des Gehirns haben die neuronalen Mechanismen der Stimmverarbeitung bei Weißbüschelaffen aufgeklärt 17,18,19; Ihre hohe räumliche Auflösung ist ein Vorteil, aber um die Tiere während des Scannens im wachen Zustand zu halten, sind fortschrittliche Techniken erforderlich. In jüngerer Zeit identifizierten Jafari et al. jedoch frontotemporale Regionen, die an der Stimmwahrnehmung bei wachen Weißbüschelaffen beteiligt sind, mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT)¹⁹. Fast alle Experimente zur Aufklärung der Gehirnfunktionen, die an der Stimmwahrnehmung und -produktion beim Menschen beteiligt sind, wurden mit nicht-invasiven Methoden wie der Kopfhaut-Elektroenzephalographie (EEG), der Magnetenzephalographie (MEG)^20,21 und der fMRT 22,23,24 durchgeführt. Zahlreiche Studien am Menschen haben die Gehirnaktivität im Zusammenhang mit der stimmlichen Wahrnehmung mittels EEG untersucht. Die meisten dieser Studien konzentrierten sich auf emotionale Informationen ^25,26,27 und die Salienz emotionaler Wörter²⁸, wobei die Ergebnisse Veränderungen der ereigniskorrelierten Potenziale während der stimmlichen Wahrnehmung zeigten²⁹. Elektrokortikographie (ECoG) und Einzelneuronenaufnahmen mit intrakraniell implantierten Elektroden beim Menschen wurden bisher nur in einer begrenzten Anzahl von Experimenten an Patienten durchgeführt, die sich einer neurochirurgischen Behandlung unterzogen^{haben 30,31}.

Eine evolutionäre Perspektive, die Menschen mit Affen vergleicht, ist wichtig, um die einzigartigen neuronalen Mechanismen zu verstehen, die der Stimmwahrnehmung und -produktion zugrunde liegen und sich beim Menschen entwickelt haben. Um die neuronalen Mechanismen, die an der Sprachwahrnehmung und Lautäußerung bei stimmreichen nichtmenschlichen Primaten wie dem Weißbüschelaffen beteiligt sind, direkt mit denen des Menschen zu vergleichen, ist es wichtig, die Daten zwischen den beiden Arten mit der gleichen Methode zu vergleichen. Die funktionelle MRT ermöglicht die Bildgebung des gesamten Gehirns und hat eine hohe räumliche Auflösung. Es hat den Vorteil, dass es die Aktivität senkrecht zum Schädel oder in tiefen Regionen aufzeichnet, die mit EEG oder MEG nur schwer aufzuzeichnen sind. Das MRT-Gerät ist jedoch teuer in der Installation und Wartung, und es gibt viele Einschränkungen bei den Reizen, die aufgrund der Art des Geräts dargestellt werden können. Im Vergleich dazu haben EEG, ereigniskorrelierte Potentiale (ERPs) und MEG eine hohe zeitliche Auflösung, was sie für die Analyse der stimmlichen Verarbeitung von Zeitreihen nützlich macht. EEG hat insbesondere die Vorteile einer hohen Mobilität und der Möglichkeit, in einer Vielzahl von Versuchsumgebungen eingesetzt zu werden, relativ niedrige Kosten und die Notwendigkeit eines einzigen Bedieners.

Da bereits eine große Menge an EEG-Daten beim Menschen gewonnen wurde, sind EEG-Messmethoden mit nicht-invasiven Paradigmen für nicht-menschliche Primaten erforderlich. Unsere Forschungsgruppe hat eine einzigartige nicht-invasive EEG-Aufzeichnungsmethode mit Röhrchen³² für Makaken und Weißbüschelaffen entwickelt. Hier berichten wir über mehrere neue Erkenntnisse zur auditiven Verarbeitung bei nichtmenschlichen Primaten 33,34,35,36,37. Um die Gehirnaktivität als Reaktion auf artspezifische Lautäußerungen bei Weißbüschelaffen zu charakterisieren, haben wir ein experimentelles System zur nichtinvasiven Aufzeichnung der Gehirnaktivität mit Hilfe von Elektroden auf der Kopfhaut konstruiert. In dieser Studie beschreiben wir die EEG-Messmethode für Weißbüschelaffen.