3.08.2018, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Wie Vögel lernen
Singvögel können sowohl durch Beobachten als auch mittels Experimentieren neue Fähigkeiten erlernen. Durch Experimentieren erworbene Fähigkeiten können sie allerdings besser an neue Situationen anpassen, wie Wissenschaftler der ETH und der Universität Zürich zeigen konnten. Die Forscher sehen auch Parallelen zum Lernen bei Kindern.
Kinder lernen ständig Neues. Das Gelernte zu verallgemeinern und es auch in unbekannten Situationen anzuwenden, fällt ihnen aber je nach Lernweise unterschiedlich leicht. Ganz ähnlich geht es Singvögeln. Auch sie müssen in den ersten Monaten ihres Lebens vieles lernen, beispielsweise den charakteristischen Gesang ihrer Artgenossen. Und auch Vögel bedienen sich wie der Mensch verschiedener Lernweisen. Wie sich diese auf die Fähigkeit zu verallgemeinern auswirken, haben Wissenschaftler unter der Leitung von Richard Hahnloser, Professor an der ETH Zürich und der Universität Zürich, nun bei Zebrafinken untersucht.
In Experimenten konnten die Forschenden zeigen, dass Zebrafinken durch das Beobachten eines Artgenossen lernen können. Die Vögel mussten durch Ausprobieren und Feedback lernen, Vogelgesangsvarianten nach ihrer Länge in zwei Klassen zu unterscheiden. Ohne spezielle Vorbereitung beherrschten die Vögel die Aufgabe im Mittel nach 4700 Wiederholungen. Konnten die Finken ihre Artgenossen zuvor beim Lernen dieser Aufgabe beobachten, brauchten sie nur 900 Wiederholungen. Weil in dieser Versuchsanordnung aus statistischen Gründen 800 Wiederholungen benötigt werden, um das Können der Tiere zu evaluieren, heisst das: Die beobachtenden Vögel beherrschten die Aufgabe praktisch von Anfang an.
Besser verallgemeinern
Anschliessend testeten die Forscher, wie gut die Vögel eine zweite, ähnliche Aufgabe lösen konnten. Die Zebrafinken mussten einen anderen Satz an Gesangsvarianten ebenfalls nach ihrer Länge unterscheiden. Dabei zeigte sich: Die Vögel, welche die erste Aufgabe von Anfang an mittels Ausprobieren und Feedback lernten, konnten die zweite Aufgabe praktisch von Beginn an, nach im Mittel 800 Durchgängen. Die Artgenossen, welche die erste Aufgabe vor allem durch Beobachten lernten, brauchten für die zweite Aufgabe hingegen im Mittel 3600 Durchgänge.
«Bei den Zebrafinken ist demnach das Lernen durch Ausprobieren die robustere Lernmethode», fasst Hahnloser zusammen. «Vögel, die eine Fähigkeit durch Ausprobieren gelernt haben, können diese besser verallgemeinern und an neue Situationen anpassen als solche, welche die Fähigkeit durch Beobachten lernten.»
Beide Lernmethoden haben ihre Vorteile
Gagan Narula, Postdoc in Hahnlosers Gruppe und Erstautor der Studie, weist auf die Parallelen zum Lernen von Kindern und Jugendlichen hin: «Der handlungsorientierte Unterricht, bei dem das Ausprobieren und Experimentieren im Zentrum steht, setzt sich auch in den Schulen immer stärker durch. Zunehmend wird sogar Mathematik in der Sekundarschule mit Hilfe von Experimenten unterrichtet.»
«Beide Lernmethoden haben jedoch ihre Vorteile», sagt Hahnloser. «Lernen durch Beobachten ist schneller.» Er weist darauf hin, dass in unserem Bildungssystem bewusst beide Lernmethoden zur Anwendung kommen: Einerseits der Frontalunterreicht und das Beobachten, andererseits Experimente, Übungen und Hausaufgaben.
Gehirn unterschiedlich involviert
Neuronale Computermodelle halfen den Wissenschaftlern, ihre Ergebnisse zu interpretieren. Aufgrund der Modellrechnungen gehen die Forschenden davon aus, dass im Gehirn der Vögel beim Beobachten viele Nervenzellsynapsen beteiligt sind, diese allerdings verhältnismässig schwach. Beim Ausprobieren hingegen sind nur wenige Synapsen beteiligt, diese jedoch besonders stark, was sich in einer höheren Fähigkeit zur Verallgemeinerung auswirkt. Hahnloser drückt es so aus: «Beim Beobachten merken sich die Vögel ganz viele Gesangsdetails, von denen viele für die Lösung des Lernproblems irrelevant sind. Beim Ausprobieren hingegen merken sich die Vögel weniger. Sie konzentrieren sich auf die prägnantesten Gesangsmerkmale wie die Länge.»
Ob sich unterschiedliche Lernmethoden im Gehirn von Kindern und Jugendlichen ebenfalls auf diese Weise auswirken, bliebe zu untersuchen. «In der Vergangenheit hat die Forschung bei Zebrafinken immer wieder wichtige Hinweise und Hypothesen für die Erforschung neurobiologischer Vorgänge geliefert, auch dazu, wie Menschen ihre Sprache lernen», sagt Hahnloser. «Unsere neusten Erkenntnisse bei Finken führen ebenfalls zu Hypothesen, die man auf geeignete Weise bei Menschen untersuchen könnte, um Lernprozesse besser zu verstehen.»
Das Experiment
Für ihre Experimente benutzen die Wissenschaftler zwei benachbarte Vogelkäfige, die mit einem Sichtschutz voneinander abgetrennt sind. In beiden Käfigen befindet sich je ein Zebrafink. Der eine hat die Aufgabe, durch Ausprobieren und Feedback zu lernen, zwei Klassen von Vogelgesängen zu unterscheiden. Der andere Vogel beobachtet ihn dabei.
Jeder der beiden Vögel kann seinen Artgenossen nur sehen, wenn er in seinem Käfig auf einer bestimmten Sitzstange sitzt. Denn an dieser Stelle befindet sich im Sichtschutz ein Fenster. Weil die Zebrafinken soziallebende Tiere sind, haben sie einen inneren Antrieb, sich auf diese Stange zu setzen.
Fliegt der nach dem Prinzip des Ausprobierens lernende Vogel auf die bestimmte Stange, wird ihm automatisch eine von zehn Varianten eines Zebrafinkengesangs vorgespielt. Die Gesänge variieren in der Länge minim. Nach dieser Länge teilten die Wissenschaftler die Gesänge in zwei Klassen ein: Klasse A umfasst die kürzeren fünf Gesangsvarianten (0,9 bis 1,0 Sekunden), Klasse B die fünf längeren (1,03 bis 1,13 Sekunden). Als Lernanreiz dient ein Luftstoss, der eine Sekunde nach Abspielen eines Gesangs der Klasse B den Vogel anbläst.
Kann der Vogel die beiden Gesangsklassen unterschieden, schafft er es, vor dem leicht unangenehmen Luftstoss zu fliehen. Somit können auch die Wissenschaftler überprüfen, ob ein Vogel die Aufgabe gelernt hat.
Originalpublikation:
Narula G, Herbst J, Hahnloser RHR: Learning to perform auditory discriminations from observation is efficient but less robust than learning from experience. Nature Communications, 13. August 2018, doi: 10.1038/s41467-018-05422-y [http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-05422-y] Weiterlesen →
