Jeder hat Düfte, die ihn von Natur aus ansprechen, wie Vanille oder Kaffee, und Düfte, die ihn nicht ansprechen. Was macht manche Gerüche attraktiv und andere nicht?
Barani Raman, Professorin für Biomedizintechnik an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, und Rishabh Chandak, die 2016, 2021 und 2022 jeweils einen Bachelor-, Master- und Doktorgrad in Biomedizintechnik erwarben, untersuchten das Verhalten von die Heuschrecken und wie die Neuronen in ihren Gehirnen auf ansprechende und unattraktive Gerüche reagierten, um mehr darüber zu erfahren, wie das Gehirn Vorlieben kodiert und wie es lernt.
Die Studie liefert Erkenntnisse darüber, wie unsere Lernfähigkeit dadurch eingeschränkt wird, was ein Organismus ansprechend oder unattraktiv findet, sowie durch den Zeitpunkt der Belohnung. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in veröffentlicht Naturkommunikation.
Raman nutzt seit Jahren Heuschrecken, um die Grundprinzipien des rätselhaften Geruchssinns zu erforschen. Während es sich beim Menschen eher um einen ästhetischen Sinn handelt, dient das Geruchssystem bei Insekten, einschließlich Heuschrecken, dazu, Nahrung und Partner zu finden und Raubtiere aufzuspüren. Neuronen in ihren Antennen wandeln chemische Signale in elektrische Signale um und leiten sie an das Gehirn weiter. Diese Informationen werden dann von mehreren neuronalen Schaltkreisen verarbeitet, die diese sensorischen Signale in Verhalten umwandeln.
Raman und Chandak machten sich daran, zu verstehen, wie neuronale Signale strukturiert werden, um ernährungsbezogenes Verhalten hervorzurufen. Wie Hunde und Menschen, die Speichel absondern, nutzen Heuschrecken Sinnesorgane in der Nähe ihres Mauls, sogenannte Palpen, um nach Nahrung zu greifen. Die Greifaktion wird automatisch ausgelöst, wenn bestimmte Geruchsstoffe angetroffen werden. Sie bezeichneten Duftstoffe, die dieses angeborene Verhalten auslösten, als appetitanregend. Diejenigen, die dieses Verhalten nicht zeigten, wurden als unappetitlich eingestuft.
Raman und Chandak, die den Preis für herausragende Dissertation im Bereich Biomedizintechnik erhielten, verwendeten 22 verschiedene Gerüche, um zu verstehen, welche Geruchsstoffe die Heuschrecken appetitlich fanden und welche nicht. Ihre Lieblingsdüfte waren diejenigen, die nach Gras (Hexanol) und Banane (Isoamylacetat) rochen, und ihre am wenigsten bevorzugten, die nach Mandel (Benzaldehyd) und Zitrusfrüchten (Citral) rochen.
„Wir fanden heraus, dass die Heuschrecken auf einige Gerüche reagierten und auf andere nicht, und ordneten sie dann in einer einzigen Verhaltensdimension ein“, sagte Raman.
Um zu verstehen, was manche Düfte sympathischer machte und andere nicht, setzten sie die hungrigen Heuschrecken vier Sekunden lang jedem der Düfte aus und maßen ihre neuronale Reaktion. Sie fanden heraus, dass die Gruppe von Duftstoffen neuronale Reaktionen hervorrief, die je nach dem von ihnen erzeugten Verhalten gut getrennt waren. Sowohl die neuronalen Reaktionen während der Geruchspräsentation als auch nach deren Beendigung enthielten Informationen zur Verhaltensvorhersage.
„Es schien einen einfachen Ansatz zu geben, mit dem wir vorhersagen konnten, wie das Verhalten aussehen würde“, sagte Raman.
Interessanterweise reagierten einige der Heuschrecken auf keinen der präsentierten Gerüche, daher wollten Raman und Chandak sehen, ob sie ihnen beibringen könnten, darauf zu reagieren. Ganz ähnlich wie Pawlow seinen Hund mit einer Glocke trainierte, gefolgt von einer Futterbelohnung, überreichten sie jeder Heuschrecke einen Duftstoff und gaben ihnen dann zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Duftpräsentation einen Snack in Form eines Stücks Gras.
Sie fanden heraus, dass Heuschrecken nur ansprechende Düfte mit einer Futterbelohnung assoziierten. Sie stellten fest, dass Heuschrecken darauf trainiert werden konnten, ihre Verhaltensreaktion zu verzögern, indem sie die Belohnung hinauszögerten.
„Mit dem ON-Training-Ansatz haben wir herausgefunden, dass die Heuschrecken ihre Fühler unmittelbar nach dem Einsetzen des Geruchs öffneten, während der Präsentation des Geruchs offen blieben und sich dann schlossen, nachdem der Geruch aufgehört hatte“, sagte Raman. „Im Gegensatz dazu führte der OFF-Training-Ansatz dazu, dass die Heuschrecken ihre Palpen viel langsamer öffneten und die maximale Reaktion erreichten, nachdem der Geruch gestoppt wurde.“
Die Forscher fanden heraus, dass der Zeitpunkt der Belohnung während des Trainings wichtig war. Als sie vier Sekunden nach dem Ende des Geruchs die Belohnung austeilten, erfuhren die Heuschrecken nicht, dass der Geruch darauf hindeutete, dass sie eine Belohnung erhalten würden. Selbst bei den ansprechenden Düften konnte kein Training beobachtet werden.
Sie fanden heraus, dass das Training mit unangenehmen Reizen dazu führte, dass Heuschrecken stärker auf die angenehmen Reize reagierten. Um diese paradoxe Beobachtung zu erklären, entwickelten Raman und Chandak ein Rechenmodell, das auf der Idee basiert, dass es sehr früh bei der sensorischen Eingabe in das Gehirn eine Trennung verhaltensrelevanter Informationen gibt. Diese einfache Idee reichte aus, um zu erklären, wie im Geruchssystem der Heuschrecke eine angeborene und erlernte Präferenz für Geruchsstoffe erzeugt werden konnte.
„Das alles geht auf eine philosophische Frage zurück: Woher wissen wir, was positive und was negative Sinneserfahrungen sind?“ sagte Raman. „Alle von unserem Sinnesapparat empfangenen Informationen und ihre Relevanz für uns müssen durch elektrische Aktivität im Gehirn dargestellt werden. Es scheint, dass die Sortierung von Informationen auf diese Weise erfolgt, sobald die Sinnessignale in das Gehirn gelangen.“
Mehr Informationen:
Rishabh Chandak et al., Neuronale Mannigfaltigkeiten für geruchsgesteuerte angeborene und erworbene Appetitpräferenzen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40443-2