Flexibles Verhalten bei Fröschen

Studien über flexibles Verhalten betrachten vorwiegend sogenannte "höhere" Wirbeltiere, wie Säugetiere, Vögel und Fische. Amphibien wurden traditionell als stark Instinkt-gebunden angesehen, mit stereotypem Verhalten. Über kognitive Prozesse bei Amphibien, z.B. strategische Planung und Verhaltensflexibilität, ist wenig bekannt. In diesem Projekt möchte ich flexibles Verhalten bei Fröschen untersuchen. Zu diesem Zweck werde ich mit zwei Frosch-Modellarten eine Reihe von Feld- und Laborexperimenten durchführen. Der anschließende Vergleich der Ergebnisse über verschiedene Taxa soll wichtigen Einblick in die Evolution von flexiblem Verhalten hinsichtlich Brutpflege und sexueller Selektion geben, nicht nur bei Amphibien, sondern auch bei Wirbeltieren im Allgemeinen. Pfeilgiftfrösche (Dendrobatidae) zeigen eine enorme Vielfalt in ihrem Brutpflege-Verhalten, und aktuelle Studienhabenfür einzelneArten auch Plastizität hinsichtlich des Kaulquappentransportes nachgewiesen. Die Art Allobates femoralis hat sich zu einem Modellorganismus für Verhaltensbiologie, Populationsgenetik, Ökologie und Evolution etabliert. Beobachtungen im Feld und Vorversuche im Labor deuten darauf hin, dass A. femoralis Weibchen flexibles Verhalten bei der Brutpflege zeigen. Obwohl der Transport der Kaulquappen zu Wasserstellen fast ausschließlich von Männchen durchgeführt wird, übernehmen die Weibchen diese Aufgabe im Fall der Abwesenheit des Männchens. In diesem Projekt möchte ich die zugrunde liegenden Mechanismen untersuchen, die weibliches Brutpflegeverhalten auslösen, z.B. akustische oder räumliche Parameter des männlichen Anzeigerufes. Dies wäre der erste Nachweis für Verhaltensflexibilität in einer uni-parentalen Art mit generell geschlechtsspezifischer Brutpflege. Im Gegensatz dazu zeigen A. femoralis Männchen wahrscheinlich ein fixiertes Handlungsmuster, indem sie alle Gelege innerhalb ihres Territoriums zu Wasserstellen tragen, unabhängig davon, ob sie der tatsächliche genetische Vater sind oder nicht. Änderungen in der Umgebung zu erkennen, zu identifizieren und entsprechend zu reagieren, ist eine der Grundvoraussetzungen für flexibles Verhalten. Untersuchungen an Säugetieren, einschließlich Menschen haben gezeigt, dass stereotypes bzw. flexibles Verhalten in unterschiedlichen Regionen des Gehirns abgebildetwird und auch unterschiedliche Aktivierungspotentiale in den entsprechenden Hirnarealen auslösen. In der Froschart Rana (Lithobates) pipiens möchte ich mittles funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) Unterschiede in der metabolischen Aktivität des Gehirns bei der Verarbeitung von bekannten und neuartigen (akustischen und visuellen) Reizen einerseits lokalisieren aber auch quantifizieren. Funktionelle Gehirnstudien wurden bisher noch bei keiner Amphibienart durchgeführt, und dies wäre die erste Untersuchung über die Verarbeitung von neuen (nicht-bekannten) Reizen in einem Wirbeltier abseits von Primaten. Nachdem Amphibien die basalste Wirbeltiergruppe darstellen, werden meine Ergebnisse wichtige Erkenntnisse über jene neuronalen Strukturen liefern, die Voraussetzung für die Entwicklung von flexiblem Verhalten sind.

Im Projekt 'Flexibles Verhalten bei Fröschen' haben wir Gründe und Mechanismen der Verhaltensplastizität zweier Frosch-Modellarten, Allobates femoralis und Rana (Lithobates) pipiens, untersucht. Dazu haben wir einen integrativen Ansatz aus Verhaltensversuchen im Freiland und im Labor, sowie molekulare Analysen und Gehirn-Scans verwendet. Ein wesentlicher Teil dieses Projekts befasste sich mit der Brutpflege des neotropischen Pfeilgiftfrosches Allobates femoralis. In der Regel sind die Väter für den Kaulquappentransport von terrestrischen Gelegen zu Wasserstellen verantwortlich. Durch kontrollierte Verhaltensexperimente im Labor konnten wir jedoch zeigen, dass Weibchen diese Aufgabe flexibel übernehmen, falls der Vater plötzlich ausfällt. Weiter konnten wir nachweisen, dass männliche und weibliche A. femoralis unterschiedliche Nachwuchs-Diskriminierungsstrategien anwenden, was die jeweiligen geschlechtsspezifischen Unterschiede hinsichtlich Risiko und Kosten der Brutpflege hervorhebt. Eine überraschende Entdeckung im Freiland war, dass Männchen bei der Übernahme eines neuen Territoriums die Gelege ihrer Vorgänger auffressen. Gezielte Experimente im Labor bestätigten diese Hypothese und zeigten, dass auch Weibchen in Abwesenheit eines bewachenden Männchens Kaulquappen aus nicht-verwandten Gelegen fressen. Eine weitere spannende Entdeckung war, dass der Kaulquappentransport sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen A. femoralis experimentell ausgelöst werden kann, indem man beliebige Kaulquappen auf den Rücken von Adulttieren überträgt. Mittels molekularer Elternschaftsanalyse konnten wir bei einer A. femoralis Population generationsübergreifende Stammbäume erstellen, die es uns ermöglichten, hierarchische Entscheidungsprozesse beim Kaulquappentransport aufzuzeigen. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse deutlich, dass Pfeilgiftfrösche ein sehr flexibles Verhalten hinsichtlich der Brutpflege aufweisen und in der Lage sind, strategische Entscheidungen zu treffen. Das Stipendium ermöglichte es mir auch, ein Jahr an der University of California Los Angeles (UCLA) zu verbringen, wo ich fMRT Gehirn-Scans an Leopardfröschen durchführte. Allgemeines Ziel der Studie war es, kognitive Mechanismen der Verhaltensflexibilität bei Fröschen zu untersuchen. Insbesondere interessierte mich, wie Individuen es schaffen, sozial relevante Informationen von Hintergrundgeräuschen herauszufiltern. Wir fanden signifikante Unterschiede in der Signalintensität verschiedener Hirnregionen bei Fröschen nach Stimulation mit arteigenen Rufen, Rauschen und Stille, was darauf hinweist, dass Signale mit unterschiedlicher sozialer Relevanz im Amphibiengehirn unterschiedlich verarbeitet werden. Diese Studie zeigt deutlich, dass MEMRI einen leistungsstarken Ansatz zur Untersuchung von Gehirnaktivitätsmustern mit hoher räumlicher Auflösung bei Fröschen bietet.