Eine Heuschrecke, gefunden in Florida. (D E N N I S A X E R Photography/Getty Images) Vom Duft des Brauens Kaffee zum Geruch von Regen, der den Boden durchnässt Das Unterscheiden von Düften ist einer der Gründe, warum es wunderbar ist, einen Geruchssinn zu haben.
Aber wie Gerüche wie Kaffee von unserem Gehirn unabhängig von Jahreszeit, Ort oder Zeit verstanden werden können, ist eine komplexe Frage, die es zu beantworten gilt. Unser Riechkolben besteht aus einer großen Anzahl von Neuronen, die uns dabei helfen, die Düfte um uns herum zu verstehen.
Deshalb wandten sich die Forscher an einen unwahrscheinlichen Verbündeten – Heuschrecken –, um herauszufinden, wie Gerüche wie Kaffee immer nach Kaffee riechen, obwohl unzählige andere Gerüche oder andere Umweltfaktoren potenziell störend sein könnten.
„Diese Leistung der Mustererkennung, die in künstlichen chemischen Sensorsystemen immer noch schwer zu erreichen ist, wird von den meisten sensorischen Systemen für ihr Überleben vollbracht.“ schrieb das Team der Washington University in St. Louis in seiner neuen Arbeit.
„Wie wird diese Fähigkeit erreicht?“
Das Team erstellte zunächst eine Version von Pawlowsche Konditionierung des Befragten auf den Insekten, insbesondere einer amerikanischen Heuschrecke ( Schistocerca americana ). Sie platzierten einen „Duftstoff“ neben den Antennen hungriger Heuschrecken (so riechen Heuschrecken) und fütterten sie dann als Belohnung mit Futter. Dies führte dazu, dass sich die äußeren Mundwerkzeuge der Heuschrecken – sogenannte Oberkieferpalpen – öffneten, die die Forscher zur besseren Sichtbarkeit grün anstrichen.
Nach einigen Runden dieser Konditionierung öffneten die Heuschrecken ihre Oberkieferfühler, nachdem sie den Duftstoff gerochen hatten, ohne dass Futter erforderlich war. Diese Reaktion bedeutet, dass die Heuschrecken den Duftstoff erkannt haben, was offensichtlich ein wichtiger erster Schritt ist.
Während die Heuschrecken kleine Sensoren trugen, die die neuronale Aktivität überwachten, überprüfte das Team anschließend, ob die Heuschrecken unter verschiedenen Bedingungen, beispielsweise trocken oder feucht oder in wechselnden Abständen, denselben Geruch wahrnehmen konnten. Während sich die Palpen der Heuschrecken jedes Mal öffneten, aktivierten sich die Neuronen je nach den Umständen in inkonsistenten Mustern.
„Die neuronalen Reaktionen waren sehr unterschiedlich“, sagte einer aus dem Team, der biomedizinische Ingenieur Barani Raman.
„Das schien im Widerspruch zu dem Verhalten der Heuschrecken zu stehen.“
Die Forscher brachten dann ein maschinelles Lernen um festzustellen, was los war. Es stellte sich schnell heraus, dass es eine Reihe von „AN“-Neuronen gibt, die sich einschalten, wenn ein Duftstoff vorhanden ist, und „AUS“-Neuronen, die sich einschalten, wenn der Duftstoff verschwindet. Aber sie müssen nicht perfekt sein, um zu funktionieren.
Das Gehirn der Heuschrecke benötigte nur die ungefähre Anzahl eingeschalteter ON-Neuronen und ausgeschalteter OFF-Neuronen, um zu erkennen, dass der Geruch vorhanden war, und hatte Spielraum, um etwaige Änderungen für die unterschiedlichen Bedingungen zu bekämpfen, die die Gerüche verändern würden.
Obwohl wir diese Erkenntnisse nicht direkt auf den Menschen beziehen können, kann uns die Untersuchung solcher Reaktionen an einem einfacheren Tiermodell wie diesen Insekten helfen, einige der Grundlagen der Funktionsweise von Geruchssystemen im Allgemeinen besser zu verstehen.
In diesem Fall haben wir nun ein Modell dafür, wie ein neuronales System einen bestimmten Geruch inmitten einer Kakophonie anderer und verdeckender Umweltfaktoren erkennen kann.
Mehr dazu können Sie im Video unten sehen.
Natürlich können wir diese Studie nicht zu sehr auf den viel größeren Riechkolben des Menschen beziehen, aber es ist ein faszinierendes Stück Forschung. Hoffentlich können wir mit mehr Forschung herausfinden, wie unser Gehirn die Fülle an Gerüchen verstehen kann, von denen wir auch in unserem Alltag umgeben sind.
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .