Forscher entschlüsseln, wie Insekten mit weniger mehr riechen

Ob es sich um den Duft unseres Lieblingsessens oder die gefährlichen Dämpfe einer giftigen Chemikalie handelt, der menschliche Geruchssinn hat sich zu einem hochentwickelten System entwickelt, das Gerüche über mehrere komplizierte Stufen verarbeitet. Das Gehirn von Säugetieren verfügt über Milliarden von Neuronen, um Gerüche zu erkennen, denen sie ausgesetzt sind – von angenehm bis scharf.

Insekten wie Fruchtfliegen hingegen verfügen nur über 100.000 Neuronen. Ihr Überleben hängt jedoch von ihrer Fähigkeit ab, die Bedeutung komplexer Geruchsmischungen um sie herum zu entschlüsseln, um Nahrung zu finden, potenzielle Partner zu finden und Raubtieren aus dem Weg zu gehen. Wissenschaftler haben darüber nachgedacht, wie Insekten mit einem im Vergleich zu Säugetieren viel kleineren olfaktorischen Sinnessystem riechen oder Informationen aus Gerüchen extrahieren können.

Wissenschaftler der University of California San Diego glauben, eine Antwort auf diese rätselhafte Frage zu haben. Palka Puri, Physik-Ph.D. Der Student hat zusammen mit dem Postdoktoranden Shiuan-Tze Wu, dem außerordentlichen Professor Chih-Ying Su und dem Assistenzprofessor Johnatan Aljadeff (alle in der Abteilung für Neurobiologie) herausgefunden, wie Fruchtfliegen ein einfaches, effizientes System zur Erkennung von Gerüchen nutzen.

„Unsere Arbeit wirft Licht auf die sensorischen Verarbeitungsalgorithmen, mit denen Insekten auf komplexe olfaktorische Reize reagieren“, sagte Puri, der Erstautor des Artikels. veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. „Wir haben gezeigt, dass die spezialisierte Organisation der sensorischen Neuronen von Insekten den Schlüssel zum Rätsel darstellt – sie implementiert einen wesentlichen Verarbeitungsschritt, der Berechnungen im Zentralhirn erleichtert.“

Frühere Untersuchungen des Geruchsverarbeitungssystems bei Fliegen konzentrierten sich auf das Zentralhirn als Hauptknotenpunkt für die Verarbeitung von Geruchssignalen. Die neue Studie zeigt jedoch, dass die Wirksamkeit der sensorischen Fähigkeiten der Insekten auf einer „Vorverarbeitungsstufe“ in der Peripherie ihres sensorischen Systems beruht, die die Geruchssignale für Berechnungen vorbereitet, die später in der zentralen Gehirnregion stattfinden.

Fliegen riechen durch ihre Fühler, die mit Sinneshärchen ausgestattet sind, die Elemente der sie umgebenden Umgebung wahrnehmen. Jedes Sinneshaar verfügt normalerweise über zwei Geruchsrezeptorneuronen oder ORNs, die durch verschiedene Geruchsmoleküle in der Umgebung aktiviert werden. Interessanterweise sind ORNs im selben Sinneshaar durch elektrische Wechselwirkungen stark gekoppelt.

„Dieses Szenario ähnelt zwei nahe beieinander verlegten stromführenden Drähten“, erklärte Puri. „Die von den Drähten übertragenen Signale stören sich gegenseitig durch elektromagnetische Wechselwirkungen.“

Im Falle des Geruchssystems der Fliege ist dieser Eingriff jedoch von Vorteil. Die Forscher zeigten, dass, wenn Fliegen auf ein Geruchssignal stoßen, das spezifische Interferenzmuster zwischen den Rezeptoren den Fliegen dabei hilft, schnell den „Kern“ der Bedeutung des Geruchs zu berechnen: „Ist es gut oder schlecht für mich?“ Das Ergebnis dieser vorläufigen Bewertung in der Peripherie wird dann an eine bestimmte Region im Zentralhirn der Fliege weitergeleitet, wo die Informationen über in der Außenwelt vorhandene Gerüche in eine Verhaltensreaktion umgesetzt werden.

Die Forscher konstruierten ein mathematisches Modell, das zeigt, wie Geruchssignale durch elektrische Kopplung zwischen ORNs verarbeitet werden. Anschließend analysierten sie das Schaltbild („Konnektom“) des Fliegenhirns, einen umfangreichen Datensatz, der von Wissenschaftlern und Ingenieuren auf dem Forschungscampus des Howard Hughes Medical Institute erstellt wurde. So konnten Puri, Aljadeff und ihre Kollegen nachvollziehen, wie Geruchssignale aus der sensorischen Peripherie in das Zentralhirn integriert werden.

„Bemerkenswerterweise zeigt unsere Arbeit, dass die optimale Geruchsmischung – das genaue Verhältnis, auf das jedes Sinneshaar am empfindlichsten reagiert – durch den genetisch vorgegebenen Größenunterschied zwischen den gekoppelten Riechneuronen definiert wird“, sagte Aljadeff, Fakultätsmitglied an der School of Biological Wissenschaften. „Unsere Arbeit unterstreicht die weitreichende algorithmische Rolle der sensorischen Peripherie für die Verarbeitung sowohl angeboren bedeutsamer als auch erlernter Gerüche im Zentralhirn.“

Aljadeff beschreibt das System mit einer visuellen Analogie. Wie eine Spezialkamera, die bestimmte Arten von Bildern erkennen kann, hat die Fliege eine genetisch gesteuerte Methode entwickelt, um zwischen Bildern oder in diesem Fall Geruchsmischungen zu unterscheiden.

„Wir haben herausgefunden, dass das Fliegengehirn über die Verkabelung verfügt, die Bilder dieser ganz besonderen Kamera zu lesen und dann ein Verhalten auszulösen“, sagte er.

Um zu diesen Ergebnissen zu gelangen, wurde die Forschung mit früheren Erkenntnissen aus Sus Labor kombiniert, die die konservierte Organisation von ORNs im Geruchssystem der Fliege in Sinneshaare beschrieben. Die Tatsache, dass Signale, die von denselben Geruchsmolekülen übertragen werden, sich bei jeder Fliege immer gegenseitig stören, legte für die Forscher nahe, dass diese Organisation eine Bedeutung hat.

„Diese Analyse zeigt, wie Neuronen in höheren Gehirnzentren von ausgewogenen Berechnungen in der Peripherie profitieren können“, sagte Su. „Was diese Arbeit wirklich auf eine andere Ebene bringt, ist, wie sehr diese periphere Vorverarbeitung höhere Gehirnfunktionen und Schaltkreisvorgänge beeinflussen kann.“

Diese Arbeit könnte als Inspiration für die Erforschung der Rolle der Verarbeitung in peripheren Organen bei anderen Sinnen wie Sehen oder Hören dienen und eine Grundlage für die Entwicklung kompakter Erkennungsgeräte mit der Fähigkeit zur Interpretation komplexer Daten schaffen.

„Diese Ergebnisse liefern Einblicke in die Grundprinzipien komplexer sensorischer Berechnungen in der Biologie und öffnen Türen für zukünftige Forschungen zur Verwendung dieser Prinzipien zur Entwicklung leistungsstarker technischer Systeme“, sagte Puri.