Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie das Gehirn gute von schlechten Düften unterscheidet

16.12.2014

Wissenschaftler BMBF-Forschungsgruppe Olfaktorische Kodierung am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie identifizieren das laterale Horn im Fruchtfliegenhirn als Verarbeitungszentrum für verhaltensrelevante Duftinformationen.

Ob ein Duft für ein Lebewesen angenehm oder widerlich ist, ist nicht nur eine Frage des Geschmacks. Oftmals hängt das Überleben davon ab, denn Düfte können wichtige Hinweise auf Futterquellen oder geeignete Paarungspartner geben, sie können aber auch Signale für tödliche Gefahren sein.


Neuronentypen im lateralen Horn von Drosophila melanogaster: Hemmende Projektionsneurone (grün) reagieren auf attraktive, übergeordnete Neurone des lateralen Horns (orange) auf abstoßende Düfte.

Antonia Strutz / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie


Ein attraktiver Duft aktiviert eine andere Region im lateralen Horn als ein abstoßender Duft. Diese Regionen sind von Fliege zu Fliege gleich und somit genetisch festgelegt.

Silke Sachse / / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Wissenschaftler der BMBF-Forschungsgruppe Olfaktorische Kodierung am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie fanden heraus, dass bei Fruchtfliegen die Qualität und Intensität von Gerüchen im sogenannten lateralen Horn abgebildet werden. Sie erstellten eine räumliche Aktivitätskarte dieses Teils des Geruchsverarbeitungssystems im Fliegenhirn und konnten zeigen, dass es im lateralen Horn drei unterschiedliche Aktivitätsbereiche gibt, die attraktiven oder abstoßenden Düften zugeordnet werden können, aber auch die Duftintensität abbilden. Die jeweiligen Zuordnungen haben unmittelbare Auswirkungen auf das Verhalten der Fliegen. Die Ergebnisse legen nahe, dass das laterale Horn eine ähnliche Funktion hat wie die Amygdala im Gehirn von Wirbeltieren, die ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Bewertung von Sinneseindrücken und Gefahren spielt. (eLife, Dezember 2014)

Um zu überleben, müssen Lebewesen in der Lage sein, Informationen aus ihrer Umgebung wahrzunehmen und ihr Verhalten entsprechend anzupassen. Tiere nutzen dabei ihre Sinne, wie das Sehen und das Riechen, um visuelle Eindrücke oder Gerüche aus ihrem Umfeld aufzunehmen und in ihrem Gehirn weiterzuverarbeiten und zu bewerten. Sie müssen gute von schlechten Düften unterscheiden können. Gute Düfte sind wichtige Signale bei der Suche nach Futter oder einem Partner zur Paarung. Insektenweibchen nutzen Duftinformationen darüber hinaus für die Auswahl eines Eiablageplatzes. Schlechte Düfte können hingegen auf Gefahren hinweisen, wie beispielsweise verdorbene Nahrung.

Moderne Imaging-Methoden zeigen, dass diese Wahrnehmungen im Gehirn bestimmte Antwortmuster hervorrufen, und dass je nach verarbeiteter Information spezifische Bereiche im Gehirn aktiviert werden. Wenn ein Duft als angenehm oder abstoßend eingestuft wird, bezeichnet man diese Art der Bewertung als hedonische Valenz. Untersuchungen an Fruchtfliegen ergaben, dass Duftmerkmale, die sich nach den Skalen hedonischer Valenz und Duftintensität charakterisieren lassen, Aktivität in einer übergeordneten Duftverarbeitungsregion im Gehirn hervorrufen, die als laterales Horn bezeichnet wird. Je nach Kategorisierung als gut oder schlecht, stark oder schwach ausgeprägt, kann Hirnaktivität in räumlich klar voneinander getrennten Bereichen im lateralen Horn sichtbar gemacht werden.

„Wir waren überrascht, dass das laterale Horn, eine Hirnregion, die ebenso groß ist wie der Antennallobus (der Riechkolben der Insekten), in nur drei Aktivitätsbereiche aufgeteilt werden kann, während der Antennallobus aus mehr als 50 Funktionseinheiten besteht“, fasst Silke Sachse, die Leiterin der BMBF-Forschungsgruppe, zusammen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese höhere Hirnregion Düfte nach Bewertungskategorien, also gut gegen schlecht, abbildet, nicht jedoch die Identität einzelner Düfte widerspiegelt. Einzeldüfte sind vielmehr auf einer niedrigeren Verarbeitungsebene, wie der Antenne oder dem Antennallobus, repräsentiert.“

Wie viele andere sensorische Netzwerke enthält der olfaktorische Schaltkreis der Fruchtfliege räumlich ausgeprägte Nervenverbindungen zu höheren Hirnregionen, die aus erregenden und hemmenden (inhibitorischen) Projektionsneuronen bestehen. Projektionsneurone sind Nervenzellen, die Sinnesimpulse zu anderen Bereichen des Nervensystems weiterleiten. Insbesondere die inhibitorischen Projektionsneurone, die in dieser Studie untersucht wurden, leiten Geruchsinformationen vom Antennallobus, dem erstem Verarbeitungszentrum von Düften, direkt und ausschließlich an das laterale Horn weiter. Der Pilzkörper, der für Lernen und Gedächtnis zuständige Teil im Zentralhirn der Fliegen, wird dabei umgangen. Dabei können diese inhibitorischen Projektionsneurone in zwei Gruppen morphologisch voneinander unterschieden werden: die erste Gruppe, die Informationen darüber weiterleitet, ob ein Duft attraktiv ist oder nicht, und eine zweite Gruppe, die über die Intensität eines Geruchs informiert. Um die Funktionsweise dieser Neurone zu testen, arbeiteten die Wissenschaftler mit Fliegen, in denen die Neurone selektiv ausgeschaltet wurden.

„Interessanterweise konnten wir beobachten, dass diese Fliegen sich zu überhaupt keinem Duft mehr hingezogen fühlten. Sie mieden sogar Düfte, die sie sonst ausgesprochen attraktiv finden, wie zum Beispiel Balsamico-Essig. Wir nehmen daher an, dass inhibitorische Projektionsneurone dafür sorgen, dass Fliegen einen Duft anlockend finden und aufgrund der Attraktivität des Duftes ihre Nahrungsquellen oder Eiablageplätze finden können“, erklärt Silke Sachse. Außerdem konnten die Wissenschaftler übergeordnete Neurone im lateralen Horn identifizieren, die ausschließlich abstoßende Düfte repräsentieren. Diese Neurone kommunizieren über Synapsen mit den inhibitorischen Projektionsneuronen.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass das laterale Horn in Fruchtfliegen eine ähnliche Funktion hat wie die Amygdala − wegen ihrer Form auch Mandelkern genannt − im Gehirn von Wirbeltieren. Beim Menschen spielt die Amygdala eine entscheidende Rolle im Hinblick auf die emotionale Bewertung von Situation und die Einschätzung von Gefahren. Bei Schädigung der Amygdala können Menschen keine Furcht oder Aggression mehr empfinden. Dies führt allerdings auch dazu, dass lebenswichtige Abwehrreaktionen nicht mehr ausgelöst werden können. Einen ähnlichen Effekt würde wahrscheinlich eine Schädigung des lateralen Horn bei Fliegen bewirken. Diese Annahme ist jedoch rein spekulativ, da man das laterale Horn bei Fliegen bisher nicht selektiv ausschalten konnte.

In ihrer Studie konnten die Max-Planck-Forscher das laterale Horn als Verarbeitungszentrum verhaltensrelevanter Geruchsinformationen identifizieren. So werden gute und schlechte Düfte im Fruchtfliegenhirn in unterschiedlichen Bereichen des lateralen Horns abgebildet. Wie mit Hilfe der räumlichen Kartierung dieser wichtiger und gleichzeitig schon bewerteter Duftinformationen Aussagen über zielgerichtetes geruchsgesteuertes Verhalten getroffen werden können, wollen die Wissenschaftler nun in weiteren Versuchen herausfinden. Dafür wollen sie die übergeordneten Neurone identifizieren und den olfaktorischen Schaltkreis bis in zentrale Hirnbereiche vervollständigen, wo die Entscheidungen getroffen werden, die letztendlich Verhalten auslösen. [AO]

Originalveröffentlichung:
Strutz, A., Soelter, J., Baschwitz, A., Farhan, A., Grabe, V., Rybak, J., Knaden, M., Schmuker, M., Hansson, B. S., Sachse, S. (2014). Decoding odor quality and intensity in the Drosophila brain. eLife 2014;4:e04147, DOI: 10.7554/eLife.04147
http://dx.doi.org/10.7554/eLife.04147

Weitere Informationen:
Dr. Silke Sachse, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Tel. +49 3641 57- 1416, E-Mail ssachse@ice.mpg.de


Kontakt und Bildanfragen
Angela Overmeyer M.A., MPI für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de

Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/735.html

Weitere Informationen:

http://www.ice.mpg.de/ext/1177.html?&L=1
http://www.ice.mpg.de/ext/735.html

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscherteam der Universität Bremen untersucht Korallenbleiche
24.04.2017 | Universität Bremen

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung