Gehirn der Biene kann Duftklassen unterscheiden

Wissenschaftler der Freien Universität Berlin und des Bernstein Center for Computational Neuroscience haben entschlüsselt, wie verschiedene Duftklassen im Gehirn der Biene kodiert sind. Duftinformationen gelangen demzufolge über zwei getrennte Pfade in höhere Gehirnareale.

So kann die Biene unmittelbar nach Aufnahme des Dufts unterscheiden, ob es sich um ein Kommunikationssignal – zum Beispiel für die gegenseitige Erkennung – oder um ein Umweltsignal – zum Beispiel den Duft einer Blume, der eine Futterquelle anzeigt – handelt.

Bienen haben einen ausgeprägten Geruchssinn, den sie nicht nur zur Ortung von Futterquellen nutzen, sondern auch zur Kommunikation. Mit selbst produzierten Duftstoffen teilen sich Bienen beispielsweise Informationen über die Brutpflege mit. Während selbst produzierte Kommunikationssignale aus einzelnen oder sehr wenigen chemischen Komponenten bestehen, handelt es sich bei dem Duft von Blumen oder anderen Umweltsignalen typischerweise um ein komplexes Duftgemisch. Wie, und vor allem wie schnell und präzise kann die Biene diese beiden Duftklassen voneinander unterscheiden? Dieser Frage gingen Martin Nawrot und Randolf Menzel, beide Professoren für Neurobiologie an der Freien Universität Berlin, sowie die promovierte Biologin Sabine Krofczik nach.

Bienen riechen und tasten mit demselben Organ: mit ihren Antennen. Die Rezeptor-Nervenzellen in den Antennen werden durch Duftstoffe angeregt. Sie werden dadurch elektrisch aktiv und leiten diese Information an den sogenannten Antennallobus weiter ¬- die erste Verschaltungsebene der Geruchsinformation. Alle Informationen, die dort verarbeitet werden, gelangen dann über eine begrenzte Anzahl von circa 900 Projektionsneuronen in höhere Gehirnareale. „In den Projektionsneuronen müssen also alle Geruchsinformationen, die für die Biene wichtig sind, enthalten sein“, erklärt Martin Nawrot. Diese Neurone wurden von Sabine Krofczik in der experimentellen Arbeitsgruppe von Randolf Menzel durch aufwändige elektrische Intrazellulärableitungen untersucht. Wie wird die Geruchsinformation in der elektrischen Aktivität der Projektionsneurone verschlüsselt? Wie reagieren sie auf Geruchsgemische oder Einzelkomponenten?

Zunächst einmal untersuchten die Wissenschaftler die Reaktion der Neurone auf einzelne Duftkomponenten. Dabei haben sie herausgefunden, dass die Neurone sowohl einen räumlichen als auch einen zeitlichen „Code“ nutzen, um Duftstoffe zu entschlüsseln. Um welchen Duftstoff es sich handelt, wird in der Reihenfolge ausgedrückt, in der die Neurone aktiviert werden ¬- von den Wissenschaftlern „zeitlicher“ Code genannt. „Im Bruchteil einer Sekunde werden die Neurone wie kleine Lampen angeschaltet“, erklärt Nawrot, „man weiß erst seit kurzem, dass die Tiere gelernte Gerüche tatsächlich so schnell erkennen können, wir haben also nach einer sehr schnellen Kodierung gesucht.“ Aber auch das Maß, wie stark welche Neurone auf das Molekül reagieren, „das Muster der Leuchtkraft der Lampen“, gibt Auskunft über die Duftidentität. Dieses „räumliche“ Signal hält länger an und kann darüber hinaus auch die Konzentration des Duftstoffes kodieren: Reagieren alle Neurone insgesamt stärker, ist die Konzentration höher.

Wie aber reagieren die Neurone nun auf Gemische von Stoffen? Hier fanden die Wissenschaftler deutliche Unterschiede in verschiedenen Typen von Projektionsneuronen. Duftinformation gelangt über zwei verschiedene Pfade in höhere Gehirnareale, kurz „l“-Pfad und „m“-Pfad genannt. „m“-Projektionsneurone reagieren auf ein Gemisch von Stoffen etwa so stark, wie ihre stärkste Antwort auf die Einzelkomponenten ausfallen würde. „In der Kombination der m-Neurone wird also das gesamte Komponentengemisch dargestellt“, sagt Nawrot. Die Aktivität der „l“-Projektionsneurone hingegen wird typischerweise unterdrückt, wenn mehr als nur eine Duftkomponente vorhanden ist. „Die unterschiedliche Verarbeitung im „l“- und „m“-Pfad zeigt, dass im Bienengehirn eine Zuordnung des Geruchs in die Gruppe einfacher Düfte und die Gruppe komplexer Gemische besteht“, erklärt Nawrot das Resultat, „die Biene könnte demnach sofort zwischen einem Kommunikationssignal und einem Umweltsignal – wie etwa einer Futterquelle – unterscheiden.“

Die Online-Publikation:
Sabine Krofczik, Randolf Menzel & Martin P. Nawrot. Rapid odor processing in the honeybee antennal lobe network. Frontiers in Computational Neuroscience 2:9
Weitere Informationen:
Freie Universität Berlin, Institut für Biologie, Abteilung Neurobiologie, Professor Martin Paul Nawrot, Telefon: 030 / 838 – 566 92, E-Mail: nawrot@neurobiologie.fu-berlin.de