Vocal communication plays critical roles in many social behaviours of vertebrates and relies on flexible neural control. Most bat species are social animals with complex vocal repertoires composed of two functionally distinct vocalisation types: echolocation calls for spatial orientation and navigation, and social vocalisations for communication with conspecifics. Despite their importance to bat behavioural ecology, the brain-wide substrates supporting flexible production of different vocalisation types remain understudied. To address this question, we studied brain-wide immediate early gene expression related to the production of different vocalisation types in Seba’s short-tailed fruit bat Carollia perspicillata. C. perspicillata is a non-traditional animal model for longevity, immunity, as well as sensory behaviour and social communication. In Chapter I we therefore establish a needed – and thus far missing – methodological tool. A photogrammetry-based pipeline was developed to reconstruct 3D brain surface models, that can be used to generate a species-specific brain sectioning matrix, allowing brains to be cut in reproducible orientations. This workflow enables anatomically consistent mapping of molecular signals across individuals and can be adapted to other vertebrate species, providing an important technical foundation for comparative neuroethology. Chapter II provides the first whole-brain, behaviourally grounded map of vocalisation-type-related Egr1 expression in a bat. Using Egr1, we quantified brain-wide transcriptional activity in C. perspicillata following the production of two distinct vocalisation types: echolocation (self-directed) and courtship calls (female-directed social vocalisations), with a silent group as baseline. A multi-level analytical framework was applied, combining complementary normalisation schemes, region-of-interest analyses, and exploratory co-expression network analysis (WGCNA) to identify robust social context- specific neural signatures of vocal production. Across analyses, echolocation engaged a widespread sensorimotor-limbic network including auditory pathway, frontal and parietal regions, superior and inferior colliculi, amygdala, hippocampal, basal ganglia, and midbrain vocal-motor structures, consistent with a high-gain active sensing state. Courtship recruited a partially overlapping but differentially weighted network with stronger engagement of hippocampal, temporal-association, and limbic regions, reflecting increased socio-affective, memory, and spatial processing. Both vocal behaviours shifted the activity away from quiescent baseline, indicating that vocal production emerges from a distributed network-level modulation. An exploratory WGCNA suggested a vocalisation context- specific large-scale reconfiguration of coordinated Egr1 expression networks, providing a first system-level perspective on molecular substrates of bat vocal production. A key discovery of this chapter is the vocalisation-type- and compartment-specific engagement of the striatum. Egr1 induction differed between matrix and striosomes, dissociating echolocation from social courtship behaviour. Together with preliminary developmental data, these findings align with striosome – SNc– matrix models of behavioural state control and suggest that basal ganglia compartmentalisation contributes to context-dependent vocal gating in bats, paralleling principles known from songbirds. Together, Chapters I and II establish both methodological and conceptual groundwork necessary for studying brain-wide neural foundations of vocal communication in a non-traditional mammalian model, such as C. perspicillata. Overall this thesis provides a comprehensive neuro-molecular framework for how distinct vocal behaviours are implemented in the bat brain, highlights the striatum as a central hub for vocal state control, and provides a foundation for future mechanistic, comparative work on bat vocal communication.
Die Kommunikation mit Lauten spielt eine zentrale Rolle in sozialen Interaktionen von Wirbeltieren und bedarf flexibler neuronaler Kontrolle. Die meisten Fledermäuse leben in Gruppen und kommunizieren mit zwei funktional unterschiedlichen Lautäußerungstypen: Während Echoortungsrufe der Orientierung und Navigation dienen, werden soziale Lautäußerungen zur Kommunikation mit Artgenossen verwendet. Trotz ihrer verhaltensökologischen Bedeutung für Fledermäuse, sind die neuronalen Grundlagen die der flexiblen Nutzung dieser Lautäußerungstypen zugrunde liegen weitgehend unerforscht. In dieser Arbeit wird deswegen die mit der Produktion verschiedener Lautäußerungstypen in Zusammenhang stehende Expression des Immediate Early Genes (IEGs) Egr1 bei Brillenblattnasen (Carollia perspicillata) im gesamten Gehirn untersucht. Da C. perspicillata kein traditionelles Tiermodell ist, jedoch für die Forschung über das Altern, Immunität, Sozialverhalten und Kommunikation von großer Bedeutung, und Vieles an methodischer Infrastruktur bisher fehlt, wurde zunächst ein notwendiges Werkzeug entwickelt, welches in Kapitel I vorgestellt wird. Hierfür wurde ein Fotogrammmetrie-basiertes Protokoll zur Erzeugung dreidimensionaler Gehirnoberflächen-modelle mit anschließender Erstellung spezies-spezifischer Gehirn-Schneide-matrizen entwickelt, um mithilfe einer Carollia-spezifischen Schneidematrix die hier untersuchten Gehirne auf reproduzierbare Weise zu schneiden. Aufbauend darauf wird in Kapitel II erstmals die mit der Produktion verschiedener Lautäußerungstypen assoziierte Egr1 Expression bei Fledermäusen im gesamten Gehirn präsentiert. Dazu wurde die transkriptionelle Aktivität von Egr1 nach der Produktion von Echoortungsrufen oder Balzvokalisierungen quantifiziert. Eine mehrstufige analytische Strategie, bestehend aus verschiedenen Daten Normalisierungsschemata, Regionen- spezifischen Analysen, sowie einer explorativen Co-Expressions-Netzwerk-Analyse (WGCNA), diente dazu, robuste, kontextspezifische neuronale Signaturen stimmlichen Verhaltens zu identifizieren. Über alle Analysen hinweg zeigte sich, dass Echoortung ein extensives sensomotorisch-limbisches Netzwerk aktiviert – passend zur Tatsache, dass Fledermäuse ihre Umwelt aktiv mit Ultraschalllauten erkunden. Balzverhalten rekrutierte ein teilweise ähnliches, aber anders gewichtetes Netzwerk mit stärkerer Beteiligung hippocampaler und limbischer Areale, was auf verstärkte Verarbeitung sozial-affektiver Reize, sowie erhöhte Navigations-bedingte Anforderungen hindeutet. Beide Verhaltensweisen unterscheiden sich deutlich vom Ruhezustand, was nahelegt, dass die Produktion von Lautäußerungen mit einer über das Gehirn verteilten Modulation auf Netzwerkebene einhergeht. Die explorative WGCNA zeigte zudem eine kontextspezifische Reorganisation koordinierter Egr1-Expressionsmuster und liefert damit eine erste systemische Perspektive auf die molekularen Substrate vokaler Kommunikation bei Fledermäusen. Ein zentrales Ergebnis ist die Lauttyp- und Kompartiment- spezifische Beteiligung des Striatums. Die Egr1-Induktion unterschied sich zwischen Matrix und Striosomen und trennte Echoortung eindeutig von Balzverhalten. Zusammen mit entwicklungs- bezogenen Daten legt dies nahe, dass diese Kompartimentalisierung zur kontextabhängigen Kontrolle vokaler Verhaltensweisen beträgt. Insgesamt schafft diese Dissertation sowohl methodische als auch konzeptionelle Grundlagen, um die hirnweiten Mechanismen vokaler Kommunikation in einem nicht- traditionellen Säugermodell wie C. perspicillata zu untersuchen. Die Arbeit liefert einen umfassenden neuro-molekularen Rahmen dafür, wie unterschiedliche Lautäußerungen im Fledermausgehirn umgesetzt werden, identifiziert das Striatum als zentralen Knotenpunkt und ebnet den Weg für zukünftige mechanistische und vergleichende Studien zur vokalen Kommunikation bei Fledermäusen.
