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Donnerstag, 19.10.2017
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Bienenhirn: Ort des Duftgedächtnisses enthüllt

Forscher erstellen Computermodell des Bienengehirns

Berliner Wissenschaftler haben die Spuren des Duftgedächtnisses in einer bestimmten Region des Bienengehirns lokalisiert. Sie stellen die Ergebnisse ihrer neuen Studie jetzt in der Fachzeitschrift „The Journal of Neuroscience“ ausführlich vor.
Honigbiene, die den Rüssel ausstreckt

Honigbiene, die den Rüssel ausstreckt

Wie erfolgreich Bienen bei der Nahrungssuche sind, hängt maßgeblich davon ab, wie gut sie nektarreiche Blüten schon von weitem anhand ihres Duftes erkennen und von weniger ertragreichen Blüten unterscheiden können. Die Forscher um Professor Randolf Menzel von der Freien Universität Berlin und des Bernstein-Zentrums Berlin gingen nun der Frage nach, ob und wie sich die Biene den Zusammenhang zwischen Duft und Nektar einer Blüte merken kann und ob sich diese Assoziation im Gehirn der Biene findet.

Bienen drücken Schulbank


Die Forscher passten hierfür Nektar-Sammlerinnen beim Ausschwärmen aus ihrem Stock ab, fingen sie ein und ließen sie in ihrem Labor gewissermaßen die Schulbank drücken: Auf dem Stundenplan standen fünf verschiedene künstliche Duftstoffe. Nachdem alle fünf vorgestellt worden waren, wurde in einer Lernphase ein Duft nach jeder Präsentation mit einem Tropfen Zuckerlösung belohnt, während ein anderer unbelohnt blieb.

Klassische Pawlowsche Konditionierung


Diese Art der klassischen Pawlowschen Konditionierung basiert auf dem so genannten Rüssel-Streckreflex, der ausgelöst wird, wenn die Antennen der Insekten in Kontakt mit süßen Flüssigkeiten kommen. Die Bienen lernten schnell, beim belohnten Duft ihren Rüssel auszustrecken, um die Zuckerlösung aufzulecken, und zeigten diese Reaktion auch noch drei Stunden nach der Lernphase.


Um die neuronale Grundlage dieses Gedächtnis-Prozesses zu untersuchen, maß der Biologe Martin Strube-Bloss im Rahmen seiner Dissertation an der Freien Universität Berlin, jetzt am Max Planck Institut für chemische Ökologie in Jena, die elektrischen Reaktionen von bestimmten Nervenzellen, nämlich den Ausgangsneuronen im Pilzkörper des Gehirns von Bienen, die bereits als Kandidaten für Lernprozesse im Raum standen.

Gedächtnisspur gefunden


Das Ergebnis überraschte die Forscher: Während der Lernphase änderten sich die Aktivitäten in den untersuchten Neuronen nicht. Aber drei Stunden nach der Lernphase fand sich eine Veränderung: Mehr Neurone reagierten auf den mit Lohn verknüpften Reiz, und die Antworten auf diesen fielen stärker aus. Die Forscher hatten also tatsächlich eine Gedächtnisspur gefunden.

Wegen der zeitlichen Verzögerung konnten sie sogar darauf schließen, dass diese nichts mit dem Lernprozess selbst oder mit dem Kurzzeitgedächtnis zu tun hatte, sondern dass sie offenbar den Ort des Langzeit-Duftgedächtnis identifiziert hatten.

Eine mathematische Analyse des Neuroinformatikers Martin Nawrot von der Freien Universität Berlin zeigte, dass die Gedächtnis-Spur im Pilzkörper sehr verlässlich ist. Schon 150 Millisekunden nach Präsentation eines Duftes konnten die Forscher aufgrund der Nervenzell-Aktivitäten sagen, ob es der mit zuckerbelohnte Duft war oder nicht. Die Biene könnte sich also getrost auf ihre Ausgangs-Neuronen des Pilzkörpers verlassen, um zu entscheiden, welcher Duft vielversprechend ist, oder – in freier Wildbahn – zu einer nektartragenden Blüte gehört und zu verfolgen lohnt.

Computermodell des Bienengehirns wird erstellt


Auf der Basis ihrer Ergebnisse erstellen die Forscher nun ein Computermodell des Bienengehirns, das virtuelle Düfte mit einer Belohnung assoziieren und auf der Basis des Erlernten Entscheidungen treffen können soll. Solche künstlichen Gehirne sollen dann in naher Zukunft in von Lebewesen inspirierten Robotern zum Einsatz kommen. (The Journal of Neuroscience, 2011; doi: 10.1523/JNEUROSCI.2583-10.2011)
(Nationales Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience, 01.03.2011 - DLO)
 
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