Mit einer neuen Technik machen Forscher überraschende Entdeckungen darüber, wie das Gehirn von Fliegen auf Geschmäcker reagiert

Der Geschmack ist für Fruchtfliegen genauso wichtig wie für den Menschen: Wie Menschen neigen die Fliegen dazu, süß schmeckende Lebensmittel zu suchen und zu verzehren und bitter schmeckende Lebensmittel abzulehnen. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie süße und bittere Geschmacksrichtungen von den Schaltkreisen im Gehirn repräsentiert werden, die Empfindungen mit Verhalten verknüpfen.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Aktuelle Biologiebeschrieben Forscher der Brown University, wie sie eine neue Bildgebungstechnik entwickelt und damit die neuronale Aktivität von Fruchtfliegen als Reaktion auf süßen und bitteren Geschmack kartiert haben.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass die Art und Weise, wie Fliegengehirne den Geschmack von Lebensmitteln codieren, komplexer ist, als wir erwartet hatten“, sagte Studienautor Nathaniel Snell, der seinen Ph.D. in Neurowissenschaften von Brown im Jahr 2021 und führte die Forschung im Rahmen seiner Doktorarbeit durch.

Genauso bedeutsam wie die Ergebnisse der Forscher ist die von ihnen verwendete Methode, sagte Gilad Barnea, Professor für Neurowissenschaften an der Warren Alpert Medical School von Brown und Direktor des Zentrums für Neurobiologie von Zellen und Schaltkreisen am Carney Institute for Brain Science der Universität.

Um mehr über die Gehirnprozesse zu erfahren, die die Reaktion der Fliegen auf Geschmacksempfindungen steuern, entwickelten Barnea, Snell und eine Gruppe von Doktoranden und Studenten in Barneas Labor eine neue Bildgebungstechnik namens „Trans-Tango (Aktivität)“. Dies ist eine Adaption von Trans-Tango, einer vielseitigen Technologie, die vom Barnea-Labor erfunden wurde und zur Verfolgung neuronaler Schaltkreise im Gehirn verwendet wird. Barnea sagte, dass Trans-Tango (Aktivität) das Verständnis auf eine neue Ebene hebt, indem es aufzeigt, wie bestimmte Neuronen in den Schaltkreisen auf Reize reagieren.

Die Reaktion des Gehirns auf Reize ist wie ein Relais, erklärte Barnea: Der „Stab“ wandert von einem Neuron zum nächsten, dann zum nächsten und so weiter. Frühere Techniken konnten ein Neuron mit dem Stab identifizieren, aber nicht, wer diesem Neuron den Stab gegeben hat.

„Trans-Tango(Aktivität) ermöglichte es uns, die Neuronen zweiter Ordnung im Schaltkreis selektiv zu betrachten, sodass wir uns darauf konzentrieren konnten, wie sie auf süße und bittere Geschmäcker reagierten“, sagte Barnea.

Da die Reaktion auf süße und bittere Geschmäcker so unterschiedlich ist, war die Erwartung der Forscher, dass die neurale Aktivität entlang der Schaltkreise, die diese Reaktionen vermitteln, ebenfalls völlig unterschiedlich sein würde, sagte er. Aber trans-Tango(-Aktivität) zeigte eine gewisse Überlappung der neuronalen Aktivität bereits in Neuronen zweiter Ordnung in diesen Schaltkreisen als Reaktion auf die beiden Geschmacksrichtungen.

Barnea sagte, dass einige der Ergebnisse zeigen könnten, wie Fliegen wissen, dass sie beispielsweise einen bestimmten verfaulten, giftigen oder anderweitig schlechten Teil eines Lebensmittels meiden. Insgesamt unterstreichen die Studienergebnisse die Bedeutung der ausgeklügelten und verfeinerten Prozesse des Geschmacks.

„Sie müssen sich daran erinnern, dass Essen oder Füttern eine Aktivität ist, bei der Sie – ob Sie eine Fliege oder ein Mensch sind – keine Fehler machen dürfen“, sagte er. „Wenn du etwas Schlechtes zu dir nimmst, kann das schädlich sein. Jeder, der schon einmal teuer bezahlt hat, nachdem er eine schlechte Muschel gegessen hat, kann dies bestätigen. Daher ist die Fähigkeit zu wissen, bestimmte Lebensmittel oder sogar bestimmte Bereiche oder Teile von Lebensmitteln zu vermeiden, wichtig für das Überleben der Art.“

Ein Ergebnis war für Barnea besonders faszinierend, nicht wegen dem, was es über das Überleben aussagte, sondern was es möglicherweise über das Vergnügen enthüllte. Die Neuronen zweiter Ordnung reagierten nicht nur auf bittere Geschmacksrichtungen, wenn diese präsentiert wurden, sondern auch, wenn sie entfernt wurden. Überraschenderweise stellten Barnea und seine Kollegen eine Überschneidung der Aktivitäten fest, als das Bittere entfernt und das Süße präsentiert wurde.

Barnea sagte, dies erinnere ihn an das Konzept der „Aponia“, was im Altgriechischen „die Abwesenheit von Schmerz“ bedeutet und von den epikureischen Philosophen als der Höhepunkt der Freude angesehen wurde.

„Die Tatsache, dass wir ein Neuron sehen, das sowohl auf die Entfernung des ‚schlechten‘ Reizes – bitterer Geschmack – als auch auf die Präsentation des ‚guten‘ Reizes – süßer Geschmack – reagiert, erinnert biologisch an dieses philosophische Konzept“, sagte Barnea. der hinzufügte, dass zukünftige Forschungen diese Reaktion weiter untersuchen werden.

Zur Frage, warum der Geschmackssinn von Insekten für Menschen wichtig ist, die den Geschmack möglicherweise anders wahrnehmen, verwies Barnea auf die Insekten, die Menschen besonders attraktiv finden: „Zu verstehen, was zum Beispiel das Geschmacks- und Geruchsverhalten von Mücken antreibt, ist sehr wichtig für das Lernen wie man ihre Wirkung auf den Menschen verringern kann“, sagte er. „Unsere Studie könnte diesem großen Puzzle ein kleines Stück hinzufügen.“

Die Studie zeigt, wie eine Forschungsfrage Impulse geben kann, um eine neue wissenschaftliche Technik zu entwickeln, die dann zur Beantwortung neuer Forschungsfragen eingesetzt werden kann – und umgekehrt.

„Wir glauben, dass Trans-Tango (Aktivität) ein nützliches Werkzeug sein kann, nicht nur um zu untersuchen, wie der Geschmackssinn funktioniert, sondern auch um neuronale Schaltkreise im Allgemeinen zu verstehen“, sagte Snell. „Sensorische Neuronen codieren viele verschiedene Arten von Informationen über die Welt, und herauszufinden, wie diese Informationen weitergeleitet, transformiert oder integriert werden, wenn sie von peripheren zu tieferen Schichten eines neuronalen Schaltkreises gelangen, ist eine zentrale Frage der Neurowissenschaften. Trans-Tango (Aktivität) ist bestens gerüstet, solche Fragen zu beantworten.“

Barnea brauchte mehr als 20 Jahre, um trans-Tango bis zu dem Punkt zu entwickeln, an dem es erfolgreich bei Fruchtfliegen eingesetzt werden konnte, sagte er, aber nur fünf Jahre, bis das Team trans-Tango (Aktivität) entwickelt und veröffentlicht hatte – und zusätzliche Anpassungen sind es derzeit in Arbeit.

„Je mehr wir die Technologie nutzen, desto besser wird sie und desto mehr können wir daraus lernen und auf desto mehr Fragen können wir sie anwenden“, sagte Barnea.