Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Daniel Schmidtke

 

Auditory spatial cognition in different vertebrate taxa

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103488

title (ger.)

Auditorische Raumkognition bei verschiedenen Wirbeltiertaxa

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/schmidtked_ss13.pdf

abstract (deutsch)

In der vorliegenden These werden drei Studien im Bereich der auditorischen Raumwahrnehmung vorgestellt, welche an verschiedenen Wirbeltierarten durchgeführt wurden. Dank intensiver Forschung im Bereich der allozentrischen Raumwahrnehmung bei Nagetieren, konnte in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl an wichtigen Erkenntnissen über die neuronalen Substrate innerer, räumlicher Repräsentationen der Außenwelt gewonnen werden. Während die Verwendung definierter Tiermodelle klare Vorteile mit sich bringt (Standardisierbarkeit von Methoden, hohe Vergleichbarkeit von Versuchsergebnissen, etc.), zeigen sich im Bereich der Raumkognitions-Forschung zunehmend auch Nachteile, die aus der Beschränkung auf eine kleine Anzahl von Arten hervorgehen. So lassen sich durch den Einsatz einiger weniger, nahe verwandter Spezies nur geringe Aussagen über die Phylogenie und die Generalisierbarkeit eines betrachteten Phänomens treffen. Durch die standardisierte Verwendung von zweidimensionalen Versuchsarenen und hauptsächlich visuellen Orientierungsreizen fehlen uns ferner Erkenntnisse über die Mehrdimensionalität allozentrischer Raumrepräsentationen und deren Abhängigkeit von verschiedenen Sinnes-modalitäten. Diese werden jedoch nur über einen Wechsel des Tiermodells und unter der Verwendung komplexer, dreidimensionaler Versuchsumgebungen gewonnen werden können.

Die erste, hier vorgestellte Studie beschäftigt sich daher mit der Frage, inwieweit sich ein kürzlich am Max-Planck-Institut für Ornithologie entwickeltes und an Zebrafinken getestetes, miniaturisiertes Telemetrie-System für die Charakterisierung der rezeptiven Felder neuronaler, allozentrischer Repräsentationen in medial-temporalen Bereichen des Kleinsäuger-Hirnes eignet. Um dies testen zu können, war es zunächst notwendig, in Kooperation mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. ein Protokoll für die Herstellung von sehr kurzen Metall-Mikroelektroden zu entwickeln. Die hier präsentierten Ableitungsexperimente an wachen, sich frei bewegenden Mäusen (Mus musculus) und Fledermäusen (Phyllostomus discolor) zeigen, dass sich die Kombination aus selbsthergestellten Mikroelektroden und Telemetrie-System bestens eignet, um bei wachen Kleinnagern neuronale Antworten auf Mehrzellebene abzuleiten. Die Möglichkeit, qualitativ hochwertige Einzelzellableitungen zu erhalten, scheint dagegen stark von den neuroanatomischen und -physiologischen Eigenschaften des Zielareals abhängig zu sein. Das Ableiten neuronaler Aktivität aus dem Gehirn fliegender Fledermäuse war aufgrund der hohen Muskelaktivität während des Fluges mit der verwendeten Methode nicht möglich.

Die zweite Studie beschäftigt sich mit der Nutzung akustischer Landmarken bei der Orientierung von stark sehbehinderten/blinden und temporär visuell deprivierten Menschen in einem aus drei aneinandergrenzenden Räumen bestehenden Labyrinth. Zusammengefasst zeigt die Studie, dass in einigen (aber nicht allen) der untersuchten Teilaspekte Geschlechtsunterschiede bestehen, die dem entsprechen, was zuvor bei Menschen und anderen Säugetieren für die Verwendung visueller Landmarken beschrieben wurde. Die hier präsentierten Ergebnisse weisen jedoch auch darauf hin, dass diese Unterschiede möglicherweise durch nicht-räumliche, interne Mediatoren (z.B. „security seeking“) verstärkt werden. Des Weiteren ergab die Studie, dass sehbehinderte und blinde Probanden weniger stark von den als Orientierungshilfen dargebotenen akustischen Landmarken Gebrauch machten, als die temporär visuell deprivierte Kontrollgruppe. Ich komme zu der Schlussfolgerung, dass den sehbehinderten und blinden Probanden zusätzlich zu den akustischen Landmarken passive (und teils auch aktive) echoakustische räumliche Hinweise  als Informationsquelle zur Verfügung standen, deren Nutzung sie sich in Folge ihrer Sehbehinderung zuvor allmählich erschlossen haben. Der temporär visuell deprivierten Kontrollgruppe fehlte diese Informationsquelle aufgrund mangelnder Erfahrung. Die Tatsache, dass die meisten der Probanden trotz der vollständigen Abwesenheit visueller Informationen in der Lage waren, nach Abschluss der Labyrinthversuche ein akkurates, allozentrisches Modell des Weges durch das Labyrinth aus der Vogelperspektive zu kneten, deutet darauf hin, dass allozentrische Raumrepräsentationen a- oder supramodal sind.

Die dritte Studie liefert eine erste physikalische Beschreibung der Laute der Knochenfischart Ariopsis seemanni und untersucht, ob die räumlichen Dimensionen des Versuchsbeckens (Aquarium vs. Pool) einen wesentlichen Einfluss auf die naturgetreue Messung derartiger Laute haben. Ferner wurde in drei Verhaltensversuchen überprüft, ob die Laute, wie in den 70er Jahren postuliert, für eine grobe Form der Echoortung genutzt werden. Die ersten beiden dieser Versuche lieferten keine Evidenzen für eine solche Funktion der Laute. Die Ergebnisse des dritten Verhaltensversuchs, in dem einige der Fische Anzeichen für eine positive phonotaktische Reaktion auf die Laute von Artgenossen zeigten, deuten auf eine mögliche Rolle der Laute für die Schwarmbildung bzw. den Schwarmzusammenhalt hin.

 

abstract (englisch)

The thesis at hand presents three studies in the area of auditory spatial cognition that were conducted in different vertebrate species. Owing to intense research in the field of allocentric spatial cognition in rodents, a large number of important discoveries about the neuronal substrates of inner, spatial representations of the outer world have been made during the last decades. The utilisation of well-defined animal models has several advantages (standardisation of methods, high comparability between the results from different studies, etc.). Yet, in the research on spatial cognition, it becomes increasingly apparent that the reliance on only a few model species also bears some clear disadvantages. For example, a species-based approach naturally does not allow for statements about the phylogeny and generalisability of an investigated phenomenon. Due to the standardised utilisation of two-dimensional experimental arenas and the provision of mainly visual cues for orientation in past experiments, we further lack knowledge of the dimensionality and modality dependence of allocentric spatial representations. This knowledge, however, can only be gained through a change of the experimental species and by using complex, three-dimensional experimental environments.

The first study presented here, therefore, deals with the question, in how far a miniaturised telemetric device that has recently been developed by colleagues from the Max-Planck-Institute for Ornithology (Seewiesen, Germany) and tested in zebra finches allows for the characterisation of the receptive fields of neuronal, allocentric spatial representations in the medial temporal lobe of small mammals. To answer this question, it initially was necessary to develop a protocol for the manufacturing of very short stainless-steel microelectrodes (which was done in cooperation with the Laser Zentrum Hannover e.V.). My recording experiments in awake, freely behaving mice (Mus musculus) and microbats (Phyllostomus discolor) show that the self-made microelectrodes in combination with the telemetric device readily allow for neuronal multi-unit recordings in awake rodents. The possibility to achieve high-quality single-unit recordings, however, seems to be highly dependent on the neuroanatomical and neurophysiological properties of the target area. The here presented method does not allow the recording of neuronal activity from the brain of flying microbats, which is mainly due to the high muscular activity during flight.

The second study deals with the utilisation of acoustic landmarks during maze-navigation in visually impaired/blind and sighted but blindfolded human subjects. The maze consisted of three adjacent, interconnected rooms. In short, the study revealed gender-specific differences in some (but not all) of the investigated aspects. The found gender differences are in accordance with previous studies in humans and other mammals in which gender differences in visually-guided orientation have been described. However, the here presented results also indicate that non-spatial internal mediators such as “security seeking” might have amplified these differences. The study further revealed that the visually impaired and blind subjects used the provided acoustic landmarks to a lesser extent than the fully sighted but blindfolded control group. These results might appear to be unexpected at first glance. I concluded that the visually impaired and blind subjects had an advantage over the sighted but blindfolded control in that they were more experienced in the utilisation of passive (and sometimes even active) echoacoustic spatial cues for orientation. They, thus, might have used this additional source of spatial information instead of the landmarks. The fact that most subjects were able to produce accurate, bird-view (i.e. allocentric) plasticine models of the way through the maze after they walked it several times in the complete absence of any visual information indicates that allocentric spatial representations are a- or supramodal.

The third study provides a first scientific, physical description of the vocalisations of the bony-fish species Ariopsis seemanni and investigates, whether the spatial dimensions of a test environment (aquarium vs. pool) can critically influence the measuring of such calls. In three subsequent behavioural experiments, it was examined, whether the vocalisations are used for a coarse from of echolocation as postulated in the 1970s. The first two behavioural experiments did not provide supportive evidence for this function of the calls in A. seemanni. The results of the third behavioural experiment, in which some of the experimental animals showed a positive phonotaxic response to the calls of conspecifics, rather point towards a possible role of the calls in school formation and preservation.

 

keywords

Raumkognition, Räumliches Hören, Wirbeltiere; Spatial Cognition, Spatial Hearing, Vertebrates

kb

14.413