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Was riecht die Biene?

Wissenschaftler aus Berlin haben herausgefunden, wie verschiedene Duftklassen im Gehirn der Biene kodiert sind (Februar 2009).

Bienen haben einen sehr gut ausgeprägten Geruchssinn, den sie nicht nur zur Ortung von Futterquellen nutzen, sondern auch zur Kommunikation. Mit selbst produzierten Duftstoffen teilen sich Bienen z.B. Informationen über die Brutpflege mit. Während selbst produzierte Kommunikationssignale aus nur einzelnen oder sehr wenigen chemischen Komponenten bestehen, handelt es sich bei dem Duft von Blumen oder anderen Umweltsignalen typischerweise um ein komplexes Duftgemisch. "Für die Biene könnte es von Bedeutung sein, diese beiden Duftklassen schnell voneinander zu unterscheiden", sagt Martin Nawrot vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience und der Freien Universität Berlin. Gemeinsam mit Randolf Menzel und Sabine Krofczik, beide Wissenschaftler der gleichen Forschungseinrichtungen, konnte er nun zeigen, wie eine solche Klassifizierung auf neuronaler Ebene umgesetzt wird. Die Arbeit wurde in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Frontiers in Computational Neuroscience" online publiziert.

Bienen riechen und tasten mit demselben Organ, mit ihren Antennen. Neurone in den Antennen werden durch Duftstoffe angeregt – das heißt: sie werden elektrisch aktiv – und leiten diese Information an den Antennallobus im Gehirn weiter, die erste Verschaltungsebene der Geruchsinformation. Alle Informationen, die im Antennallobus verrechnet werden, gelangen dann über eine begrenzte Anzahl von ca. 900 Projektionsneuronen in höhere Gehirnareale. "In den Projektionsneuronen müssen also alle Geruchsinformationen, die für die Biene wichtig sind, enthalten sein", erklärt Nawrot. Diese Neurone wurden von Sabine Krofczik in der experimentellen Arbeitsgruppe von Randolf Menzel durch aufwändige elektrische Ableitungen untersucht. Wie wird die Geruchsinformation in der elektrischen Aktivität der Projektionsneurone verschlüsselt? Wie schnell und genau arbeiten sie, wie reagieren sie auf Geruchsgemische oder Einzelkomponenten?

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Nervenzellen im Gehirn der Biene reagieren auf Duftstoffe in einem räumlich-zeitlichen Muster. Die Aktivität der Projektionsneurone ist farbkodiert dargestellt und auf den Antennallobus, der ersten Verschaltungsstelle für Duftinformation im Bienenhirn, rückprojiziert.
Bild: Martin Nawrot
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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 neuronaler Aktivierung ausgedrückt, von den Wissenschaftlern wird dies "zeitlicher" Code genannt. "Im Bruchteil einer Sekunde werden die Neurone wie kleine Lampen angeschaltet", erklärt Nawrot, "man weiss 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 den Duftstoff reagieren – das Muster der Leuchtkraft der Lampen, um in dem Bild zu bleiben – 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.

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Unterschiedliche Reaktion von m- und l-Projektionsneuronen auf Einzelkomponenten (grün, orange, blau) und Duftgemische (schwarz). Nur in Typ l-Neuronen wird die Aktivität durch das Gemisch unterdrückt.
Bild: Martin Nawrot
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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. "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", so erklärt Nawrot das Resultat, "die Biene könnte demnach sofort zwischen einem Kommunikationssignal und einem Umweltsignal – wie etwa eine Futterquelle – unterscheiden".


Ansprechpartner Link


Prof. Dr. Martin Nawrot
Institut für Biologie, Abt. Neurobiologie
Freie Universität Berlin

Rapid odor processing in the honeybee antennal lobe network.
Frontiers in Computational Neuroscience 2:9

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