Um mehr darüber zu erfahren, wie das Gehirn mehrere Gerüche gleichzeitig verarbeiten kann, trainierten Wissenschaftler Heuschrecken, um auf einen bestimmten Geruch zu reagieren.
Wenige Sekunden nach der Geruchsbelebung erhält die Heuschrecke zur Belohnung ein Stück Gras als eine Form der pawlowschen Konditionierung. Anstatt zu salven, öffnen sie ihre Handflächen oder fingerähnlichen Vorsprünge in der Nähe der Mundteile, wenn sie die Belohnung vorhersagen. Ihre Antwort war weniger als eine halbe Sekunde. Bildnachweis: Lynette Schimming / Flickr
Heuschrecken haben ein relativ einfaches sensorisches System, das sich ideal zum Studium der Gehirnaktivität eignet.
Barani Raman von der School of Engineering & Applied Science der Washington University in St. Louis stellte fest, dass Gerüche neuronale Aktivität im Gehirn auslösten, die es der Heuschrecke ermöglichten, den Reiz auch bei anderen vorhandenen Gerüchen korrekt zu identifizieren.
Wie man eine Heuschrecke ausbildet
Das Team verwendete eine computergesteuerte pneumatische Pumpe, um der Heuschrecke einen Geruchsbeutel zu verabreichen, der olfaktorische Rezeptorneuronen in seinen Antennen aufweist, ähnlich wie sensorische Neuronen in unserer Nase.
Wenige Sekunden nach dem Geruchspusten erhält die Heuschrecke als Belohnung ein Stück Gras als eine Form der pawlowschen Konditionierung. Wie bei Pavlovs Hund, der beim Klingeln einen Speichelfluss verursachte, erwarteten ausgebildete Heuschrecken die Belohnung, wenn der für das Training verwendete Geruch abgegeben wurde.
Anstatt zu salven, öffneten sie ihre Handflächen oder fingerartigen Vorsprünge in der Nähe der Mundteile, als sie die Belohnung vorhersagten. Ihre Antwort war weniger als eine halbe Sekunde.
Die Heuschrecken konnten die trainierten Gerüche erkennen, selbst wenn ein anderer Geruch, der sie ablenken sollte, vor dem Zielhinweis eingeführt wurde.
„Wir haben dieses Ergebnis erwartet, aber die Geschwindigkeit, mit der es durchgeführt wurde, war überraschend“, sagt Raman, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik. "Es dauerte nur ein paar hundert Millisekunden, bis das Gehirn der Heuschrecke einen neuartigen Geruch in der Umgebung aufspürte. Die Heuschrecken verarbeiten chemische Signale auf extrem schnelle Weise. “
"Es gab einige interessante Hinweise in den Gerüchen, die wir gewählt haben", sagt Raman. „Geraniol, das für uns nach Rose riecht, hat die Heuschrecken angezogen, aber Citral, das für uns nach Zitrone riecht, ist für sie abstoßend. Dies hat uns geholfen, Prinzipien zu identifizieren, die für die Geruchsbearbeitung typisch sind.
Raman hat ein Jahrzehnt lang gelernt, wie das menschliche Gehirn und das olfaktorische System Geruchs- und Geruchssignale verarbeiten. Seine Forschungen könnten zu einem Gerät zur nicht-invasiven chemischen Wahrnehmung führen, das sich vom biologischen Riechsystem inspirieren lässt. Ein solches Gerät könnte in Heimatschutzanwendungen zum Nachweis flüchtiger Chemikalien und in der medizinischen Diagnostik zum Testen des Blutalkoholspiegels verwendet werden.
Diese Studie ist die erste in einer Reihe, die sich mit den Prinzipien der Geruchsberechnung befasst, sagt Raman.
"Es gibt einen Hinweis, der dem Gehirn sagen könnte, dass es ein Raubtier in der Umwelt gibt, und er muss vorhersagen, was als nächstes passieren wird", sagt Raman. "Wir wollen bestimmen, welche Berechnungen durchgeführt werden müssen, um diese Vorhersagen zu treffen."
Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Nature Neuroscience.
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