Von Martin Giurfa

Insekten wurden üblicherweise als einfache kleine Reflexmaschinen betrachtet. Nach dieser besonderen Sichtweise würde ihr Verhalten im Wesentlichen durch stereotype Reaktionen gesteuert, wobei Phänomenen der Plastizität wenig Raum bliebe. Diese Sicht, die somit die Möglichkeit ausschließt, Fragestellungen der Tierkognition bei Insekten zu bearbeiten, hat eine große Zahl von Arbeiten in der Robotik inspiriert. Sie ignoriert jedoch, dass Insekten – wie die meisten Tiere – Informationen aus ihrer Umwelt adaptiv und flexibel verarbeiten, was ihnen ermöglicht, auf eine sich verändernde Umwelt zu reagieren. Sie ignoriert auch den bemerkenswerten evolutionären Erfolg der Insekten, der es ihnen erlaubt hat, praktisch alle verfügbaren Lebensräume der Erde zu besiedeln und zu erobern und alle anderen vielzelligen Organismen sowohl in absoluten Individuenzahlen als auch in der Artenzahl zu übertreffen. Diese Fakten legen nahe, dass das Insektengehirn in der Lage sein muss, „intelligente“ Lösungen für ein breites Spektrum ökologischer Probleme bereitzustellen, um einen solchen Erfolg zu sichern. Diese Probleme sind ähnlich oder identisch mit jenen, denen sich andere Wirbeltiere – darunter auch der Mensch – in ihren jeweiligen Umwelten stellen müssen.

Damit ist es sinnvoll zu fragen, inwieweit Insekten lediglich zu rigiden Verhaltensweisen und einfachen Lernformen fähig sind, und ob zusätzliche Ebenen kognitiver Komplexität, die nicht-elementare Lernformen einschließen, anerkannt werden müssen, um die bei Insekten beobachtete Verhaltensvielfalt zu erklären. Konkret werden wir – wie bei den meisten Tieren – bei der Biene elementare Lernformen finden, also einfache Assoziationen, die zwei spezifische Reize (zum Beispiel einen neutralen Reiz und einen Verstärker) oder eine Reaktion und einen Verstärker miteinander verknüpfen. Aufgrund ihrer Spezifität sind diese Assoziationen jedoch begrenzt und erlauben es nicht, Situationen zu bewältigen, in denen das Tier mit neuen Reizen konfrontiert ist. Wir fragen daher, ob das bei der Biene beobachtete plastische Verhalten ausschließlich durch elementare Assoziationen erklärt werden kann oder ob zur Erklärung ein höheres Komplexitätsniveau angenommen werden muss.

In diesem Kapitel versuchen wir, diese Frage anhand von Studien zu einem Insektenmodell zu beantworten, nämlich der Honigbiene Apis mellifera. Dieses Modell erscheint für solche Fragestellungen besonders geeignet, da es eine bemerkenswerte Verhaltensvielfalt mit einem relativ einfachen und dank neuer Techniken zugänglichen Nervensystem verbindet, das Messungen der Gehirnaktivität in vivo und während des Lernens ermöglicht.

Das Verhalten der Biene in einem natürlichen Kontext

Die Verhaltensvielfalt der Biene (von Frisch 1967) rechtfertigt den Einsatz dieses Modells in Studien zu den kognitiven Fähigkeiten von Insekten. Die Biene lebt in Gesellschaft und kann ohne die anderen Mitglieder des Stocks nicht lange überleben. Trotz ihrer geringen Größe ist sie in der Lage, effizient über Distanzen von bis zu etwa zehn Kilometern zwischen Stock und Nahrungsquellen, den Blüten, zu navigieren. Sie organisiert ihre Nektar- und/oder Pollensammelaktivitäten nach einer äußerst schnellen und effizienten „Fließbandarbeit“: Sie besucht und nutzt nacheinander Blüten, die stets derselben Art angehören; wenn diese Art keinen Nektar oder Pollen mehr bietet, orientiert sie sich an einer anderen Art. Dies ist das Phänomen der „Blütenstetigkeit“. Sensorische Fähigkeiten und motorische Leistungen sind stark ausgeprägt. Bienen sehen die Welt in Farbe, nehmen Formen und Muster wahr und unterscheiden sie und sind in der Lage, Bewegungen mit sehr hoher zeitlicher Auflösung zu detektieren. Ihr Geruchssinn erlaubt es ihnen, ein breites Spektrum an Gerüchen zu unterscheiden, und ihre Mechanosensorik ist dank der Präsenz von Tausenden mechanosensorischer Haare am Körper des Insekts sowie interner Propriozeptoren ebenfalls äußerst reich. Komplexe Verhaltensweisen können angeborene Grundlagen haben (zum Beispiel der Bau der Wabenzellen) oder vollständig von Erfahrung abhängen (zum Beispiel die effektive Handhabung bestimmter Blütenstrukturen, um deren Pollen und Nektar zu extrahieren). Die natürliche Selektion hat insbesondere das Lernen spezifischer Informationen hervorgehoben, die charakteristisch für interessante Orte sind, nämlich den Stock und die Nahrungsquellen. Das Lernen von Landmarken und Himmelsinformationen, die im Kontext der Navigation genutzt werden (Azimutposition der Sonne, Muster polarisierten Lichts am Himmel), gewährleistet die Rückkehr zum Nest und ermöglicht somit die Optimierung der Sammelleistung. Bienen kommunizieren das Vorhandensein von Nahrungsquellen in der Umgebung des Stocks durch ritualisierte Körperbewegungen, die als „Schwänzeltanz“ bezeichnet werden – ein Kommunikationssystem, das Informationen über Richtung und Entfernung der genutzten Nahrungsquelle übermittelt (von Frisch 1967). Bienen, die dem Tanz einer Sammlerin im Dunkel des Stocks und auf der vertikalen Oberfläche der Waben folgen, auf denen sie sich befinden, erhalten aus den Bewegungen der Tänzerin die Informationen, die nötig sind, um die genutzte Nahrungsquelle zu finden: Die Geschwindigkeit der Bewegungen informiert über die Entfernung, und der Winkel der Schwänzelphase relativ zur Vertikalen informiert über die Flugrichtung relativ zur Sonne. Unter natürlichen Bedingungen finden mehrere Tänze parallel innerhalb der Kolonie statt. Verschiedene Entscheidungsprozesse auf individueller und kollektiver Ebene können aktiviert werden und ausgehend von einer partiellen Kenntnis der gesamten Bandbreite verfügbarer Optionen wirksam werden.

Das Verhalten der Biene in einem experimentellen Kontext

Das Verständnis und die Analyse der Mechanismen, die diesen komplexen Verhaltensweisen zugrunde liegen, erfordern einen experimentellen Ansatz, in dem die wesentlichen Merkmale des Bienenverhaltens erhalten bleiben, zugleich aber die Zahl der Variablen erheblich reduziert wird. In diesem Sinne wurden verschiedene Ansätze entwickelt, ausgehend von den Pionierarbeiten von Karl von Frisch, der als Erster die experimentelle wissenschaftliche Arbeit etablierte, die dem Verständnis des Bienenverhaltens gewidmet ist (1967). Zwei zentrale Paradigmen können hier wegen ihrer Bedeutung für die Untersuchung verschiedener Facetten des Lernens bei der Biene genannt werden: 1) die olfaktorische Konditionierung des Rüsselstreckreflexes bei immobilisierten Bienen und 2) die Konditionierung des Annäherungsflugs von frei fliegenden Bienen an einen explizit belohnten visuellen Reiz.

Die olfaktorische Konditionierung des Rüsselstreckreflexes

Immobilisierte Bienen können darauf konditioniert werden, auf olfaktorische Reize zu reagieren (Takeda 1961; Bittermann et al. 1983). In diesem Paradigma wird jede Biene in einem kleinen Metallröhrchen so fixiert, dass nur ihr Kopf herausragt. Die einzigen Bewegungen, die dem Insekt möglich sind, sind daher jene der Antennen und der Mundwerkzeuge (Mandibeln und Proboscis). Die Antennen der Bienen sind ihre chemosensorischen Organe; berührt man die Antennen einer hungrigen Biene mit einer Zuckerlösung (zum Beispiel mit einem in Zuckerlösung getränkten Zahnstocher), streckt sie ihren Rüssel aus, um die Zuckerlösung zu erreichen und zu lecken (Abb. 1).

 

Abbildung 1. Klassische olfaktorische Konditionierung des Rüsselstreckreflexes bei der Biene. Wenn die Antennen einer hungrigen und in einem Metallröhrchen immobilisierten Biene mit einem Tropfen Zuckerlösung in Kontakt kommen, streckt das Insekt seinen Rüssel aus und trinkt die Lösung. Gerüche, die zu den Antennen geleitet werden, lösen diese Reaktion bei naiven Tieren nicht aus (links: vor der Konditionierung). Wenn jedoch ein Geruch dem Eintreffen der Zuckerlösung vorausgeht (Forward-Konditionierung), wird eine Assoziation gebildet, die es dem Geruch erlaubt, in den folgenden Tests die Rüsselstreckreaktion (PER) auszulösen (mittig). Die Erwerbskurven (rechts) zeigen ein Experiment der differentiellen Konditionierung mit zwei Gerüchen; ein Geruch wird mit der Zuckerlösung gepaart (CS+), während der andere Geruch niemals gepaart wird (CS-). Die CS+- und CS--Durchgänge werden abwechselnd präsentiert. Die Bienen lernen, auf CS+ zu reagieren und nicht auf CS-.

Gerüche, die zu den Antennen geleitet werden, lösen diese Reaktion bei naiven Tieren nicht aus. Wenn jedoch ein Geruch dem Eintreffen der Zuckerlösung vorausgeht (Forward-Konditionierung), wird eine Assoziation gebildet, die es dem Geruch erlaubt, in den folgenden Tests die Rüsselstreckreaktion (PER) auszulösen. Dieser Effekt ist eindeutig assoziativ und stellt ein Beispiel klassischer (pavlovscher) Konditionierung dar, da die von der Biene gelernte Kontingenz zwei Reize miteinander verknüpft (Bittermann et al. 1983): den Geruch als konditionierten Reiz (CS) und die Zuckerlösung als verstärkenden oder unkonditionierten Reiz (US).

Diese Präparation bietet über ihre Einfachheit hinaus einen zusätzlichen Vorteil für die Untersuchung des Lernens: Sie erlaubt es, die physiologischen Grundlagen des olfaktorischen Lernens zu studieren. Es ist nämlich möglich, das Gehirn der im Metallröhrchen immobilisierten Biene durch eine Öffnung in der Kutikula der Kopfkapsel sichtbar zu machen. Diese Kapsel besteht aus Chitin und ist nicht innerviert, sodass der Eingriff für das Tier nicht beeinträchtigend ist; es lernt in derselben Weise wie nicht operierte Tiere. Somit kann die Gehirnaktivität in vivo während des Lernens sichtbar gemacht werden. Physiologische Korrelate verschiedener Formen olfaktorischen Lernens können auf unterschiedlichen Ebenen identifiziert werden, von der molekularen und biochemischen Ebene bis hin zu spezifischen Neuronen oder neuronalen Ensembles, deren Aktivität mithilfe bildgebender Verfahren sichtbar gemacht werden kann.

Die Konditionierung des Annäherungsflugs von Bienen an einen explizit belohnten visuellen Reiz

Frei fliegende Bienen können auf visuelle Reize wie Farben, Formen und Muster konditioniert werden (von Frisch 1967). In diesem Paradigma wird jede Biene individualisiert (zum Beispiel durch farbige Markierungen auf dem Thorax) und darauf trainiert, zum experimentellen Ort zu fliegen, wo sie mit einem Tropfen Zuckerlösung belohnt wird, sofern sie auf dem geeigneten visuellen Reiz landet. Die in diesem Kontext etablierten Kontingenzen verknüpfen visuelle Reize (CS) mit der Verstärkung durch Zuckerlösung (US), aber auch die Reaktion des Tieres (hinfliegen, auf einem visuellen Ziel landen) mit der Verstärkung; die Bienen lernen so, dass eine spezifische visuelle Information (zum Beispiel die Farbe) mit einer Zuckerlösungsbelohnung verbunden ist und dass sie auf dieser Farbe landen müssen, um die Belohnung zu erhalten.

Studien, die dieses Verhaltensparadigma nutzen, konnten die visuellen Informationen identifizieren, die Bienen lernen. Bienen lernen, alle Farben ihres visuellen Spektrums (von 300 nm bis 650 nm) mit einer Verstärkung zu assoziieren, wobei für verschiedene Farben unterschiedliche Lernraten beobachtet werden. Sie können auch lernen, verschiedene Formen, Silhouetten und visuelle Muster zu diskriminieren, wenngleich dafür im Vergleich zum Fall der Farbe eine größere Zahl von Lerndurchgängen erforderlich ist. Bienen sind in der Lage, visuelle Reize anhand ihrer Position im Gesichtsfeld, ihrer räumlichen Orientierung, ihrer Geometrie, ihrer Größe, ihrer räumlichen Frequenz, ihrer Tiefe, ihres Bewegungskontrasts und ihrer Symmetrie zu erkennen. Obwohl es aus offensichtlichen Gründen nicht möglich ist, physiologische Studien zur Gehirnaktivität eines frei fliegenden Insekts durchzuführen, hat dieses Paradigma den Vorteil, die mit dem freien Flug verbundene Verhaltensvielfalt auszunutzen – eine Vielfalt, die vermindert ist, wenn das Tier im Paradigma der olfaktorischen Konditionierung des Rüsselstreckreflexes immobilisiert ist.

Problemlösen im Kontext der visuellen Diskrimination

Über einfache Assoziationen zwischen Farbe und Belohnung oder zwischen Formen und Belohnung hinaus, die mehreren visuellen Diskriminationen zugrunde liegen, sind Bienen zu visuellen Diskriminationsleistungen fähig, die ihnen erlauben, auf Reize adaptiv zu reagieren, die sie zuvor nie gesehen haben. Dieses diskriminative Verhalten beruht auf der Fähigkeit, visuelle Reize zu kategorisieren. Die Kategorisierung visueller Reize ist eine Verhaltensaufgabe, die vor allem bei Wirbeltieren untersucht und nachgewiesen wurde, insbesondere bei jenen, die als besonders geeignet gelten, komplexe Lernaufgaben zu lösen (Tauben, Delfine, Primaten). Kürzlich wurde jedoch gezeigt, dass auch Bienen visuelle Reize kategorisieren können. Typischerweise stellt ein Kategorisierungsexperiment einem Tier ein Diskriminations- oder Auswahlproblem, bei dem die Verstärkung nicht durch einen einzelnen Reiz signalisiert wird, sondern durch eine Vielfalt von Reizen, die eine oder mehrere gemeinsame Eigenschaften teilen. Das Tier muss in der Lage sein, die verstärkten Merkmale zu extrahieren, um die Reize in die relevanten Kategorien einzuordnen. Das Experiment muss außerdem einen Transfer auf neue Instanzen zeigen können, das heißt: Das Tier, das für diese Art von Problem trainiert wurde, muss in der Lage sein, Reize zu kategorisieren, denen es nie begegnet ist, wenn diese die typischen Merkmale der verstärkten Kategorie aufweisen. Es ist daher offensichtlich, dass eine solche Leistung nicht im Rahmen einfacher elementarer Assoziationen beschrieben werden kann, da diese den Transfer auf neue Reize nicht erklären würden, zu denen das Tier keine explizite Erfahrung hat.

Die Kategorisierung bei Bienen wurde im Fall der bilateralen Symmetrie gut untersucht. Es wurde gezeigt, dass Bienen, die mit einer wechselnden Abfolge visueller Reize trainiert wurden, sodass bilateral symmetrische Reize verstärkt und asymmetrische nicht verstärkt werden (oder umgekehrt), diese abstrakte Information (Symmetrie vs. Asymmetrie) lernen und auf neue symmetrische und asymmetrische Reize übertragen können, die sie nie gesehen haben (Giurfa et al. 1996). Bienen sind also sehr wohl in der Lage, visuelle Reize zu kategorisieren, da sie neue Objekte in klar definierte Kategorien einordnen, die aus ihrem Training resultieren. Der Transfer auf neue Reize, die sich stark von den beim Training verwendeten Reizen unterschieden – Symmetrie bzw. Asymmetrie ausgenommen –, legt nahe, dass an einem bestimmten Punkt Abstraktionsprozesse im Gehirn der Biene stattfinden müssen.

Eine spektakulärere Form nicht-elementaren Lernens wird in Experimenten sichtbar, in denen Bienen nach dem Schema der Aufgabe „delayed matching-to-sample“ trainiert werden (Giurfa et al. 2001). In diesem Experiment wird ein Tier typischerweise zunächst mit einer Probe konfrontiert und anschließend mit einer Reihe von Reizen, unter denen einer mit der Probe identisch ist. Das Tier muss lernen, stets den Reiz zu wählen, der mit der Probe identisch ist, unabhängig von den spezifischen physikalischen Eigenschaften der Probe, die sich zudem regelmäßig ändern. Das Tier muss also die Regel lernen: „Wähle immer das, was dir als Probe gezeigt wird, unabhängig von den besonderen Eigenschaften der Probe.“

Um zu bestimmen, ob Bienen ein solches Äquivalenzprinzip lernen können, werden sie mit einer wechselnden und nicht verstärkten Probe am Eingang eines Y-Labyrinths trainiert (die Probe kann entweder eine blaue oder gelbe Scheibe sein oder eine Scheibe mit vertikalen oder horizontalen schwarzen und weißen Streifen)  (Giurfa  et  al. 2001).   Die   Bienen erhalten eine Zuckerlösungsbelohnung dann und nur dann, wenn sie im Inneren des Labyrinths den Reiz wählen, der der am Eingang gesehenen Probe entspricht. Bienen, die mit den Farben Gelb und Blau trainiert wurden, werden mit vertikalen oder horizontalen Streifenmustern konfrontiert, die sie zuvor nie gesehen haben (Abb. 2). Ebenso werden andere Bienen, die mit vertikalen oder horizontalen Streifenmustern trainiert wurden, mit gelben oder blauen Scheiben konfrontiert, die sie nicht kennen. In beiden Fällen wählten die Bienen im Inneren des Labyrinths den Reiz, der der gezeigten Probe entsprach, obwohl sie erstmals mit diesem Probentyp konfrontiert waren. Sie sind somit in der Lage, das „delayed matching-to-sample“-Experiment zu lösen und ein Äquivalenzprinzip aufzubauen, das über spezifische Reize hinausgeht.

In gleicher Weise wurde bei Bienen auch die Fähigkeit nachgewiesen, ein Differenzprinzip zu etablieren (Giurfa et al. 2001). In diesem Fall wird das Experiment „delayed non-matching-to-sample“ verwendet, bei dem das Tier stets den Reiz wählen muss, der der ihm präsentierten Probe entgegengesetzt ist. Auch diese Art von Problem können Bienen lösen, was ihre Fähigkeit unterstreicht, über einfache elementare Assoziationen hinaus anspruchsvolle Verhaltensweisen hervorzubringen.

Abbildung 2: Bienen können ein Äquivalenzprinzip lernen. Erwerbsleistungen und Transfer von Bienen in einem „delayed matching-to-sample“-Experiment, in dem sie mit Farben (Experiment 1) oder mit Mustern aus schwarzen und weißen Streifen, vertikal oder horizontal (Experiment 2) trainiert werden. a) Erwerb: Die Kurven zeigen die Erwerbsleistung, gruppiert in Blöcken von zehn aufeinanderfolgenden Besuchen der Versuchsanordnung für jedes Experiment. (b,c) Transfertests: (b) In Experiment 1 wurden Bienen, die mit Farben trainiert wurden, mit Streifenmustern getestet. (c) In Experiment 2 wurden Bienen, die mit Mustern trainiert wurden, mit Farben getestet. In beiden Fällen wählen die Bienen im Inneren des Labyrinths den neuen Reiz, der der am Eingang präsentierten Probe entspricht, obwohl sie keine explizite Erfahrung mit diesen neuen Reizen haben. n: Anzahl der Entscheidungen (Giurfa et al. 2001).

Das Mini-Gehirn der Biene: Design und kognitive Architektur

Die bei der Biene aufgezeigte Verhaltensvielfalt und -sophistizierung haben ihren Ursprung in einem Mini-Gehirn mit einem Volumen von 1 mm3 und 960 000 Neuronen (Abb. 3). Die Beschreibung der neuronalen Organisation dieses Gehirns kann anhand der Anerkennung von drei grundlegenden Organisationsprinzipien vereinfacht werden:

1. Spezialisierte Neuropile. Wie in jedem Gehirn sind im Gehirn der Biene Regionen spezialisierten Nervengewebes (Neuropile) leicht identifizierbar, die auf die Verarbeitung spezifischer sensorischer Informationen (Sehen, Riechen usw.) spezialisiert sind.

2. Spezialisierte Neuronen. Im Gehirn der Biene, wie in dem anderer Insekten, lassen sich einzelne Neuronen identifizieren, die aufgrund ihrer einzigartigen Morphologie und ihrer einzigartigen Funktion in definierten sensomotorischen Routinen von einer Biene zur anderen und innerhalb derselben Biene wiederkehrend erkannt werden können. Dies stellt eine Spezifität des Wirbellosengehirns dar, da eine solche wiederkehrende Identifikation mehrerer individueller Neuronen im Fall von Wirbeltieren technisch schwierig ist.

3. Integrationszentren höherer Ordnung. Wie in anderen Gehirnen lassen sich im Gehirn der Biene Zentren identifizieren, in denen mehrere Informationsverarbeitungswege für sensorische Information zusammenlaufen.  Diese Strukturen sind somit multimodale Integrationszentren, die es erlauben, beim Lernen und Erinnern verschiedene Reize zu verknüpfen. Besonders interessant ist die Möglichkeit, die sie als Substrat für nicht-elementare Plastizitätsformen bieten, in denen sich beispielsweise der Transfer zwischen verschiedenen Sinnesmodalitäten manifestieren könnte (siehe oben).

Abbildung 3. Dreidimensionale Rekonstruktion eines Bienenhirns in Frontalansicht auf der Grundlage konfokaler Mikroskopietechniken. Mehrere Neuropile sind angegeben: ME: Medulla; LO: Lobula; ME + LO + Lamina (nicht sichtbar) bilden die optischen Loben, die Region des Gehirns, in der die primäre Verarbeitung visueller Information stattfindet; AL: Antennenlappen, der primäre olfaktorische Neuropil; PL: Protocerebrallappen, ein Neuropil mit wenig bekannter Funktion; SOG: subösophageales Ganglion, eine Gehirnregion, die mit gustatorischen Eingängen verbunden ist; CB: eine Region des Gehirns, die mit motorischen Reaktionen verbunden ist. Die zwei prominenten und symmetrischen Strukturen, die den zentralen Teil des Gehirns einnehmen, sind die Pilzkörper. Jeder Pilzkörper besteht aus zwei Untereinheiten, den Kelchen, lateral (LC) und medial (MC). Die Kelche sind die Eingangsregion der verschiedenen sensorischen Bahnen (Sehen, Riechen). Die Loben a und b bilden die Ausgangsregion. Maßstab = 200 µm.

Verschiedene Ansätze können verwendet werden, um die Kognition des Mini-Gehirns der Biene auf diesen drei Ebenen zu untersuchen. Im Folgenden werden drei Beispiele gegeben, eines für jede Ebene.

1. Spezialisierte Neuropile

Der Fall des Antennenlappens Die Antennenlappen  sind  die  primären  olfaktorischen  Neuropile  im Gehirn der Biene. Ihre Funktion besteht darin,  olfaktorische  Informationen  aus den olfaktorischen Rezeptoren auf den Antennen zu  verarbeiten  und  zu  kodieren  (Abb. 4).

Abbildung 4. a) Der Antennenlappen ist der primäre olfaktorische Neuropil im Gehirn der Biene. Zwei Antennenlappen (einer in jeder Gehirnhemisphäre) können im Gehirn der Biene identifiziert werden. Olfaktorische Glomeruli sind die funktionellen Einheiten des Antennenlappens. Diese Glomeruli sind die Konvergenzregionen der dendritischen Endigungen der olfaktorischen Rezeptoren und der Projektionsneuronen zu höheren Zentren. Laterale Verbindungen zwischen Glomeruli werden ebenfalls durch lokale Interneuronen vermittelt. Jeder Antennenlappen besteht aus 160 Glomeruli. Die Calcium-Imaging-Methode erlaubt es, räumliche Muster glomerulärer Aktivierung aufzuzeichnen, wenn ein Geruch die Antenne einer Biene stimuliert. Jeder Geruch bestimmt ein spezifisches räumliches Muster glomerulärer Aktivierung. Farben werden verwendet, um das Aktivierungsniveau anzugeben, wobei Rot dem Maximum und Blau dem Minimum entspricht. b, c) Aktivierungsmuster entsprechend Pentan bzw. 2-Heptanon.

Das Gehirn der Biene weist zwei Antennenlappen auf (je einen pro Antenne bzw. Gehirnhemisphäre). Die Antennenlappen entsprechen dem Riechkolben der Säugetiere; beide Strukturen weisen gemeinsame Prinzipien von Architektur und Funktion auf. Beide bestehen aus mehreren Glomeruli (160 im Fall des Antennenlappens). Im Fall des Antennenlappens sind die Glomeruli kugelförmige Strukturen, die die Konvergenzregionen der dendritischen Endigungen der olfaktorischen Rezeptoren auf den Antennen der Biene und der Projektionsneuronen bilden, die die Information zu höheren Zentren (Pilzkörper und Protocerebrallappen) weiterleiten; laterale Verbindungen zwischen Glomeruli werden durch lokale Interneuronen bereitgestellt (Galizia und Menzel 2000). Um die olfaktorische Kodierung auf Ebene des Antennenlappens zu untersuchen, wurde eine Kombination aus neuroanatomischen Studien und Gehirnbildgebung eingesetzt (Joerges et al. 1997). Die neuroanatomischen Studien erlaubten es, eine präzise Kartierung des Antennenlappens zu erstellen, wodurch einzelne Glomeruli anhand ihrer Form und Position identifiziert werden können. Die Bildgebungsstudien ermöglichten das Verständnis, wie die Kodierung und Repräsentation von Gerüchen auf Ebene des Bienenhirns erfolgt.

Das Grundprinzip der in Studien zum Antennenlappen verwendeten Calcium-Imaging-Methode ist die Freisetzung von Calcium durch erregte Zellen. Fluoreszierende Substanzen, die Calcium binden („calcium sensitive dyes“), werden daher verwendet, um das Gehirn einer mit ausgewählten Gerüchen stimulierten Biene zu benetzen. Wenn Neuronen durch olfaktorische Stimulation erregt werden, setzen sie Calcium frei, das an die fluoreszierenden Substanzen bindet. Dies führt zu einer Fluoreszenzänderung, die mit einer CCD-Kamera detektiert werden kann, die auf den Antennenlappen gerichtet ist. Auf diese Weise lässt sich die Gehirnaktivität sichtbar machen, während das Insekt Gerüche wahrnimmt. Diese Studien haben die Mechanismen der olfaktorischen Kodierung bei der naiven Biene aufgedeckt: Jeder Geruch wird als räumliches Muster glomerulärer Aktivierung kodiert (Abb. 4). Wenn zwei Gerüche in einem Gemisch präsentiert werden, ist die glomeruläre Repräsentation ähnlich, aber nicht identisch mit der Summe der glomerulären Repräsentationen der einzelnen Komponenten. Mit zunehmender Anzahl von Komponenten im Gemisch verändert sich das räumliche Muster, und inhibitorische Interaktionen werden immer deutlicher.

Da die Calcium-Imaging-Methode für den Antennenlappen bereits etabliert ist, lautet die nun zu beantwortende Frage, welche Rolle Erfahrung bei einer möglichen Modifikation der glomerulären Aktivierungsmuster spielt. Wie verändert olfaktorisches Lernen die neuronalen Repräsentationen von Gerüchen auf Ebene des Antennenlappens? Führen unterschiedliche Arten olfaktorischen Lernens zu unterschiedlichen glomerulären Repräsentationen für denselben Geruch? Eine erste Studie (Faber et al. 1999) zeigte, dass elementares differentielles Lernen (die Biene muss lernen, auf einen verstärkten Geruch zu reagieren und ihre Reaktion auf einen nicht verstärkten Geruch zu hemmen) qualitative, aber keine quantitativen Veränderungen in der Repräsentation des verstärkten Geruchs bewirkt. Das glomeruläre Aktivierungsmuster bleibt für den verstärkten Geruch also gleich, lediglich die Aktivierungsintensität nimmt zu. Für den nicht verstärkten Geruch werden keine signifikanten Veränderungen detektiert.

2. Spezialisierte Neuronen: der Fall des Neurons VUMmx1

VUMmx1 ist ein im Gehirn der Biene identifizierbares Neuron, dessen Name seiner neuroanatomischen Lokalisation entspricht (der Name entspricht den Abkürzungen für das Neuron „ventral unpaired median of maxillary neuromere 1“). Die Struktur dieses Neurons ist besonders bemerkenswert: Die Dendriten von VUMmx1 bilden im Gehirn symmetrische Verzweigungen und konvergieren mit dem olfaktorischen Verarbeitungskreislauf an drei Orten: 1) den Antennenlappen, 2) den Kelchen der Pilzkörper und 3) dem Protocerebrallappen. Die Haupteigenschaft von VUMmx1 ist seine Erregung jedes Mal, wenn die Antennen oder der Rüssel der Biene mit Zuckerlösung stimuliert werden (Hammer 1993). Diese Eigenschaft erlaubt die Annahme, dass die Aktivität dieses Neurons die Verstärkung durch Zuckerlösung im Gehirn der Biene repräsentiert (Hammer 1993).

Um diese Hypothese zu prüfen, führte Hammer (1993) ein Experiment zur olfaktorischen Konditionierung des Rüsselstreckreflexes durch, bei dem die Verstärkung durch Zuckerlösung durch eine künstliche Aktivierung des Neurons VUMmx1 ersetzt wird, die durch intrazelluläre Injektion elektrischen Stroms erzeugt wird. In diesem Konditionierungsexperiment folgt die künstliche Depolarisation des Neurons unmittelbar auf die olfaktorische Stimulation, um die zeitlichen Merkmale einer Forward-Konditionierung zu reproduzieren, bei der der CS stets dem US vorausgeht. Es handelt sich somit um ein „virtuelles“ olfaktorisches Konditionierungsexperiment: Die immobilisierte Biene wird mit einem Geruch stimuliert, gefolgt von der künstlichen Aktivierung des Neurons. Nach dieser Paarung wird beobachtet, ob der Geruch allein nachträglich die Rüsselstreckung auslösen kann. Um Artefakte zu vermeiden, die mit der Bewegung des Rüssels selbst zusammenhängen, wird dieser entfernt und die Reaktion anhand der Aktivität des Muskels M17 gemessen, eines Muskels an der Basis des Rüssels, der dessen Streckung präzise kontrolliert. Wenn die Aktivität des Neurons tatsächlich die Verstärkung durch Zuckerlösung repräsentiert, muss die Biene in diesem Experiment lernen, auf den Geruch zu reagieren, auch wenn sie nie eine spezifische Verstärkung erhalten hat. Genau dies wurde beobachtet. Bienen reagieren vor der Paarung nicht auf den Geruch, was logisch ist, da der Geruch unbekannt ist, zeigen jedoch nach der Paarung – das heißt nach der virtuellen Konditionierung – eine deutliche Reaktion (Hammer 1993). Ihre Reaktion ist identisch mit jener einer Gruppe von Bienen, bei denen die Konditionierung normal ist, das heißt bei denen der Geruch mit realer Zuckerlösung gepaart wurde. Diese Ergebnisse zeigen somit, dass VUMmx1 das neuronale Korrelat der Verstärkung durch Zuckerlösung im Gehirn der Biene darstellt. Es handelt sich um ein spezialisiertes Neuron, dessen Funktion darin besteht, als Verstärker für assoziatives olfaktorisches Lernen zu dienen.

Abbildung 5. Ein einzelnes Neuron, VUMMx1, repräsentiert den Verstärker der Zuckerlösung im Bienenhirn. Das Schema rechts zeigt ein Bienenhirn (ohne optische Loben) mit dem olfaktorischen Schaltkreis. Das Schema links stellt im gleichen Maßstab die Morphologie des Neurons VUMmx1 dar. Die Dendriten von VUMmx1 bilden im Gehirn symmetrische Verzweigungen und konvergieren mit dem olfaktorischen Schaltkreis an drei Orten (durch eine gestrichelte rote Linie begrenzt): den Antennenlappen (AL), den Kelchen der Pilzkörper (MB) und dem Protocerebrallappen (PL). SO: subösophageales Ganglion; PN: Projektionsneuronen; a und b: Loben der Pilzkörper. Das Neuron reagiert auf eine Stimulation der Antennen und des Rüssels mit Zuckerlösung.

Der Fall von VUMmx1 illustriert, wie der elektrophysiologische Ansatz es ermöglicht, ein spezialisiertes Neuron zu charakterisieren. Mit diesem Ansatz konnten in ähnlicher Weise auch andere spezialisierte Neuronen charakterisiert werden.

3. Integrationszentren höherer Ordnung: der Fall der Pilzkörper

Die Pilzkörper sind zentrale und prominente Strukturen, die nahezu ein Drittel des Gehirns der Biene einnehmen (Abb. 3). Jeder Pilzkörper besteht aus 170 000 dicht gepackten Neuronen, den Kenyon-Zellen, und weist zwei Untereinheiten auf, die an ihrer Basis in einem gemeinsamen Stiel verschmolzen sind. Die Kelche bilden die Eingangsregion der Pilzkörper; man unterscheidet einen lateralen und einen medialen Kelch. Jeder Kelch ist in drei Kompartimente unterteilt: Lippenregion, Kragenregion und Basalringregion. Jedes dieser Kompartimente erhält spezifische sensorische Afferenzen (Lippe: olfaktorisch; Kragen: visuell; Basalring: olfaktorisch). Die efferente Region der Pilzkörper wird durch die Loben a und b gebildet, die aus der Fusion der medialen und lateralen Kelche hervorgehen. Die efferenten Neuronen reagieren auf mehrere Arten sensorischer Stimulation und sind daher multimodal. Dies zeigt, dass die Pilzkörper sensorische Integrationszentren sind, die ein ideales Substrat für Modalitätstransfer und für nicht-elementare Lernformen darstellen könnten. Eine neue Methode erlaubt es nun, die Rolle der Pilzkörper in verschiedenen Lernformen zu untersuchen und diese Hypothese zu prüfen. Diese Methode besteht in der Erzeugung erwachsener Bienen mit spezifischen Läsionen auf Ebene der Pilzkörper (Abb. 6). Diese Läsionen werden durch die Behandlung von Larven im ersten Stadium mit Hydroxyharnstoff erzeugt, einer Substanz, die die mitotische Aktivität teilender Zellen (Neuroblasten), aus denen die Pilzkörper hervorgehen, hemmt (Malun 1998). Hydroxyharnstoff wird den Larven in der Gelée royale verabreicht, mit der sie während der Teilungsperiode dieser Neuroblasten gefüttert werden. Die aus dieser Behandlung hervorgehenden Adulten lassen sich äußerlich nicht von normalen Bienen unterscheiden. Eine Untersuchung nach der Konditionierung erlaubt jedoch, partielle Läsionen der Pilzkörper im Gehirn dieser Bienen zu identifizieren. In der Regel führt die Behandlung zur Entfernung eines oder zweier medialer Kelche. Mit Hydroxyharnstoff behandelte Bienen können in Lernaufgaben unterschiedlicher Komplexität untersucht werden, um die Bedeutung der Pilzkörper für die Lösung elementarer und nicht-elementarer Probleme zu bestimmen. Bislang zeigen die Ergebnisse, dass eine partielle Ablation der Pilzkörper die Fähigkeit zur Lösung elementarer Probleme, die eine einfache Assoziation zwischen einem CS und einem US beinhalten, nicht beeinträchtigt. Dies gilt für Paradigmen taktilen Lernens (Scheiner et al. 2001) und für die olfaktorische differentielle Konditionierung (Malun et al. 2002). Eine Konditionierung mit einem verstärkten und einem nicht verstärkten Geruch, die auf einer einzelnen Antenne dargeboten werden, beeinträchtigt nicht die Fähigkeit, auf den verstärkten Geruch zu reagieren (Rüsselstreckung) und nicht auf den nicht verstärkten Geruch, selbst wenn die konditionierte Antenne der läsionierten Gehirnhälfte entspricht (Malun et al. 2002). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Pilzkörper nicht notwendigerweise an der Etablierung elementarer Assoziationen beteiligt sind. Diese Assoziationen könnten bereits auf Ebene der Antennenlappen etabliert werden.

Abbildung 6: a–e) Dreidimensionale Rekonstruktionen von Gehirnen hydroxyharnstoffbehandelter Bienen in Frontalansicht. a) Gehirn einer mit Hydroxyharnstoff behandelten Biene ohne Ablationen; das Gehirn ist identisch mit dem eines normalen Individuums (vergleichen Sie mit Abb. 3). b) Unilaterale partielle Läsion: Der mediale Kelch auf der linken Seite fehlt, während der laterale Kelch intakt ist. c) Unilaterale partielle Läsion: Die medialen und lateralen Kelche auf der rechten Seite sind verschwunden; die linke Seite ist intakt. d) Bilaterale partielle Läsion: Beide medialen Kelche fehlen. e): Totale Läsion: Nur eine reduzierte Zellgruppe erscheint in der rechten Hemisphäre; Kelche und Loben fehlen. Bienen mit dieser Läsion weisen eine extrem niedrige Überlebensrate auf und können nicht in Konditionierungsexperimenten verwendet werden.

Schlussfolgerung: Mini-Gehirn und Kognition

Die Kombination verhaltens- und neurobiologischer Studien erlaubt es, zu beurteilen, inwieweit die Plastizität bei Bienen einfache Formen elementaren Lernens übertrifft, und die zugrunde liegenden neuronalen Substrate dieser Fähigkeiten zu identifizieren. Die in diesem Kapitel aufgeworfene Frage betraf die mögliche Reduktion des plastischen Verhaltens der Biene auf eine Sammlung einfacher Lernformen, die sich als nicht miteinander verbundene Module zusammenfügen würden. Mehrere Beispiele zeigen, dass eine solche Reduktion falsch ist. Bienen sind zu nicht-elementaren Lernformen fähig, die die bei Wirbeltieren bekannten Leistungen höherer kognitiver Ordnung reproduzieren, wie kontextuelles Lernen, visuelle Kategorisierung und das Lernen relationaler Regeln (Menzel und Giurfa 2001). Die kognitive Architektur der Biene besteht aus einem komplexen Netzwerk miteinander verbundener Module (spezialisierte Neuronen und Neuropile, Integrationszentren höherer Ordnung), die stereotype und flexible Verhaltensweisen gewährleisten. In diesem Netzwerk ermöglichen zentrale Integrationszentren die Konsultation, den Vergleich und den wechselseitigen Dialog zwischen Modulen, was den Transfer von Lösungen von einer Situation auf eine andere und damit die Generierung neuer Antworten erlaubt. Das Gehirn der Biene scheint daher in der Lage zu sein, die logische Struktur ihrer Welt sehr effizient zu extrahieren. Welche spezifischen Einschränkungen weist dieses Gehirn im Vergleich zu Wirbeltiergehirnen auf, und welche strukturellen und funktionellen Grundlagen sind für diese Einschränkungen verantwortlich? Um diese Frage zu beantworten, ist es notwendig, Defizite des Lernens bei der Biene vertieft zu untersuchen – ein bisher noch wenig erforschtes Gebiet.

Die Studien zum Verhalten und zur Neurobiologie bei der Biene erlauben eine optimistische Haltung gegenüber diesen Fragen. Die Biene kann als Modell dienen, um intermediäre Niveaus kognitiver Komplexität zu verstehen und deren neuronale Substrate zu identifizieren. Sie verdient daher einen begründeten Platz im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften. Das Mini-Gehirn der Biene mit seinen 960 000 Neuronen hat sein gesamtes Potenzial noch nicht offengelegt. Die Konvergenz neuer Fragen, die vor einiger Zeit noch undenkbar erschienen, und neuer Messtechniken, die den Zugang zu verschiedenen Ebenen neuronaler Organisation ermöglichen, lässt hoffen, dass das Beste noch zu entdecken bleibt.

 

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Siehe auch:

► Die individuelle Intelligenz der Biene
► Die Sinne in den Antennen der Biene
► Mini-Gehirn – Mega-Leistungen

 

Literatur:

[1] Bitterman, M. E., Menzel, R., Fietz, A., et Schäfer, S. (1983) Classical conditioning of proboscis  extension in honeybees (Apis mellifera). Journal of  Comparative Psychology 97, 107-119.

[2] Faber, T., Joerges, J., et Menzel, R. (1999) Associative learning modifies neural representations of odors in the insect brain. Nature neuroscience 2, 74- 78.

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