Kleines Gehirn, große Leistungsfähigkeit

Professor Dr. Martin Giufra arbeitet am Zentrum für Forschung zur tierischen Kognition in Toulouse (Frankreich). Er ist Spezialist für Neurobiologie, insbesondere für die Neurokognition bei wirbellosen Tieren. Das von ihm geleitete For

Das Gehirn der Honigbiene ist plastisch

Die Honigbiene ist ein ausgeprägt soziales Insekt, das komplexe Kommunikationsstrategien entwickelt hat und zugleich über ausgeprägte Gedächtnisleistungen sowie eine hohe Verhaltensplastizität im Zusammenhang mit der Nahrungssuche verfügt. Erste Beobachtungen hierzu gehen bereits auf Aristoteles zurück, der die Fähigkeit der Bienen beschrieb, stets dieselben Blüten aufzusuchen – ein Phänomen, das als Blütenkonstanz bezeichnet wird. Die Biene verfügt somit über ein Gedächtnis für Orte und Blütenarten, die sie anfliegt. Sie ist in der Lage, Farbe, Geruch und Form einer Blüte zu erlernen. Darüber hinaus kann sie trainiert werden und zeigt ein hohes Maß an Kooperationsbereitschaft, sofern sie mit einer Zuckerbelohnung verstärkt wird. Forschende erkannten früh, dass dieses Insekt eine wertvolle Informationsquelle zum Verständnis des kleinen Gehirns mit rund 950'000 Neuronen pro mm³ darstellt (zum Vergleich: Das menschliche Gehirn zählt etwa 100 Milliarden Neuronen).

Ingeniöse Tests zum Verständnis der Gehirnfunktion

Gedächtnisinhalte können ein Leben lang bestehen. Die Forschung hat äußerst ausgeklügelte Protokolle entwickelt, um das assoziative olfaktorische Lernen im Labor an immobilisierten Insekten zu untersuchen, die über den Rüsselstreckreflex verfügen. In einem ersten Schritt wird dem Insekt ein Geruch präsentiert, anschließend wird unmittelbar eine Zuckerbelohnung mit der Rüsselstreckung gekoppelt. Bereits nach zwei bis drei Durchgängen erwirbt das Insekt die Assoziation „Geruch → Rüsselstreckung“ und speichert sie langfristig. Durch die Freilegung des Bienengehirns mittels Entfernung der interokularen Cuticula lassen sich die durch das Experiment ausgelösten neuronalen Prozesse mithilfe der Elektrophysiologie, der Kalziumbildgebung oder pharmakologischer Blockaden untersuchen.

Der olfaktorische Schaltkreis des Insekts besteht aus den Antennen als Geruchswahrnehmungsorgan (vergleichbar mit der Nase des Menschen), die über rund 60'000 Geruchsrezeptoren verfügen und ihre Signale an die Antennalloben weiterleiten. Diese bestehen aus etwa 160 Glomeruli, 800 Projektionsneuronen und 4'000 lokalen Interneuronen. Die Signale werden zunächst lokal verarbeitet und anschließend teilweise in andere Regionen (laterale Hörner) weitergeleitet, vor allem jedoch in die pilzförmigen Körper (170'000 Neuronen), die als Speicherort des olfaktorischen Gedächtnisses gelten oder genauer als multimodale Gehirnzentren mit multisensorischer Konvergenz und kombinierter multimodaler Ausgabe. Sie koordinieren den Austausch zwischen visuellen, mechanosensorischen und gustatorischen Modulen in enger Verbindung mit Aufmerksamkeits- und Verstärkungssystemen.

Die pilzförmigen Körper enthalten ihrerseits obere (olfaktorische) und untere (visuelle) Mikroglomeruli. Diese etwa 3 μm (10⁻⁶ m) großen Mikroglomeruli bestehen aus Projektionsneuronen aus den Antennalloben im Zentrum, die von Kenyon-Zellen umgeben sind. Letztere bilden echte synaptische Kontaktstellen mit hoher Plastizität und verändern sich (Synaptogenese) in Abhängigkeit von olfaktorischen Lernprozessen und deren Speicherung. Diese Experimente erlauben folgende Schlussfolgerungen:

• Das Gehirn der Honigbiene ist plastisch und kann lernen sowie Informationen speichern.
• Die synaptische Architektur der oberen Lippe bzw. der olfaktorischen Region der pilzförmigen Körper verändert sich infolge langfristiger olfaktorischer Gedächtnisbildung.
• Diese strukturellen Veränderungen sind von der Proteinsynthese abhängig.
• Eine erhöhte olfaktorische Aktivität nach Lernprozessen führt zu einer Zunahme der Verbindungen zwischen olfaktorischen Neuronen sowie zu einer größeren Anzahl von Mikroglomeruli.
• Diese Mikroglomeruli können somit olfaktorische Gedächtnisinhalte speichern.

Sind Bienen in der Lage, nichtlineare Probleme höheren Niveaus zu lösen?

Die pilzförmigen Körper beschränken sich nicht auf die Speicherung von Gedächtnisinhalten, sondern sind entscheidende Strukturen für Lernprozesse höheren Niveaus. Sie können reversibel anesthesiert werden, um nichtlineare oder ambige Diskriminationsaufgaben mit Hemmung der Reflexantwort zu untersuchen (negatives Patterning: A+, B+ versus AB−). Die Experimente zeigen, dass die Anästhesie der pilzförmigen Körper die Fähigkeit zur nichtlinearen Diskriminationslernung blockiert, während lineare Diskriminationsleistungen erhalten bleiben.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die pilzförmigen Körper sind für die Lösung komplexer, nichtlinearer Probleme notwendig, spielen jedoch für einfache, lineare Aufgaben nur eine untergeordnete Rolle. Ähnlich wie bei Wirbeltieren existieren spezialisierte neuronale Strukturen für komplexe Lernprozesse sowie andere, die an einfachen Lernformen beteiligt sind und es der Biene ermöglichen, Probleme unabhängig von der Art der eingesetzten Reize zu lösen. Darüber hinaus können Bienen lernen, Entscheidungen auf der Grundlage eines Differenzkonzepts zu treffen.

Der Einfluss von Pestizidbehandlungen auf die Lernfähigkeit

Die zentrale Frage lautet: Was geschieht mit den pilzförmigen Körpern, wenn Bienen subletalen Dosen von Pestiziden ausgesetzt werden?

Experimente von Peng & Yang (2016) zeigen, dass Pestizide die langfristige olfaktorische Gedächtnisbildung beeinflussen können. Die Folgen für Lernen und Gedächtnis sind gravierend, da die Bienen nicht mehr in der Lage sind, Nahrungsquellen zuverlässig zu memorieren.

Zusammenfassend besteht das Gehirn der Honigbiene aus einem Netzwerk von Neuronen und klar identifizierbaren neuronalen Strukturen, die sowohl stereotype als auch plastische Verhaltensweisen hervorbringen können, die über einfaches Lernen hinausgehen. Erfahrungsabhängige Veränderungen im Gehirn sind nachweisbar (Plastizität). Das Gehirn der Honigbiene ist daher leistungsfähig und bemerkenswert und ermöglicht ein besseres Verständnis grundlegender Mechanismen primitiver kognitiver Prozesse. Leider kann diese Plastizität durch den Einsatz von Pestiziden beeinträchtigt werden, was eine Bienenkolonie erheblich schwächen kann.

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