Insecten zoals fruitvliegjes hebben daarentegen slechts 100.000 neuronen om mee te werken. Toch is hun overleving afhankelijk van hun vermogen om de betekenis van complexe geurmengsels om hen heen te ontcijferen om voedsel te lokaliseren, potentiële partners te zoeken en roofdieren te ontwijken. Wetenschappers hebben zich afgevraagd hoe insecten kunnen ruiken, of informatie uit geuren kunnen halen, met een veel kleiner reuksensorisch systeem vergeleken met zoogdieren.

Wetenschappers van de Universiteit van Californië in San Diego denken een antwoord te hebben op deze raadselachtige vraag. Palka Puri, een natuurkunde Ph.D. student, samen met postdoctoraal wetenschapper Shiuan-Tze Wu, universitair hoofddocent Chih-Ying Su en assistent-professor Johnatan Aljadeff (allen bij de afdeling Neurobiologie) hebben ontdekt hoe fruitvliegjes een eenvoudig, efficiënt systeem gebruiken om geuren te herkennen.

"Ons werk werpt licht op de sensorische verwerkingsalgoritmen die insecten gebruiken om te reageren op complexe reukprikkels", zegt Puri, de eerste auteur van het artikel, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences. . "We hebben laten zien dat de gespecialiseerde organisatie van sensorische neuronen van insecten de sleutel tot de puzzel in handen heeft:het implementeren van een essentiële verwerkingsstap die berekeningen in het centrale brein vergemakkelijkt."

Eerdere onderzoeken naar het geurverwerkingssysteem bij vliegen concentreerden zich op het centrale brein als het belangrijkste knooppunt voor het verwerken van geursignalen. Maar de nieuwe studie toont aan dat de effectiviteit van de sensorische capaciteiten van het insect afhankelijk is van een ‘voorbewerkings’-fase in de periferie van hun sensorische systeem, die de geursignalen voorbereidt op berekeningen die later in het centrale hersengebied plaatsvinden.

Vliegen ruiken door hun antennes, die vol zitten met sensorische haren die elementen van de omgeving om hen heen detecteren. Elke sensorische haar bevat gewoonlijk twee olfactorische receptorneuronen, of ORN's, die worden geactiveerd door verschillende geurmoleculen in de omgeving. Het is intrigerend dat ORN's in hetzelfde sensorische haar sterk gekoppeld zijn door elektrische interacties.

"Dit scenario lijkt op twee stroomvoerende draden die dicht bij elkaar zijn geplaatst", legt Puri uit. "De signalen die door de draden worden overgedragen, interfereren met elkaar door middel van elektromagnetische interacties."

In het geval van het reuksysteem van de vlieg is deze interferentie echter gunstig. De onderzoekers toonden aan dat wanneer vliegen een geursignaal tegenkomen, het specifieke patroon van interferentie tussen de receptoren vliegen helpt om snel de ‘kern’ van de betekenis van de geur te berekenen:‘Is het goed of slecht voor mij?’ Het resultaat van deze voorlopige evaluatie in de periferie wordt vervolgens doorgegeven aan een specifieke regio in het centrale brein van de vlieg, waar de informatie over geuren die in de buitenwereld aanwezig zijn, wordt vertaald naar een gedragsreactie.

De onderzoekers construeerden een wiskundig model van hoe geursignalen worden verwerkt door elektrische koppeling tussen ORN's. Vervolgens analyseerden ze het bedradingsschema ("connectoom") van het vliegenbrein, een grootschalige dataset gegenereerd door wetenschappers en ingenieurs op de onderzoekscampus van het Howard Hughes Medical Institute. Hierdoor konden Puri, Aljadeff en hun collega's nagaan hoe geursignalen uit de sensorische periferie worden geïntegreerd in het centrale brein.

"Opmerkelijk genoeg laat ons werk zien dat de optimale geurmix – de precieze verhouding waarvoor elk sensorisch haar het meest gevoelig is – wordt bepaald door het genetisch vooraf bepaalde verschil in grootte tussen de gekoppelde reukneuronen", zegt Aljadeff, lid van de faculteit van de School of Biological. Wetenschappen. "Ons werk benadrukt de verreikende algoritmische rol van de sensorische periferie voor de verwerking van zowel aangeboren betekenisvolle als aangeleerde geuren in het centrale brein."

Aljadeff beschrijft het systeem met een visuele analogie. Net als een gespecialiseerde camera die specifieke soorten beelden kan detecteren, heeft de vlieg een genetisch gestuurde methode ontwikkeld om onderscheid te maken tussen beelden, of in dit geval, mengsels van geuren.

"We ontdekten dat het vliegenbrein over de bedrading beschikt om de beelden van deze zeer speciale camera te lezen en vervolgens gedrag te initiëren", zei hij.

Om tot deze resultaten te komen, werd het onderzoek geïntegreerd met eerdere bevindingen uit het laboratorium van Su, waarin de geconserveerde organisatie van ORN's in het reuksysteem van de vlieg in sensorische haren werd beschreven. Het feit dat signalen die door dezelfde geurmoleculen worden overgedragen altijd met elkaar interfereren, bij elke vlieg, suggereerde voor de onderzoekers dat deze organisatie betekenis heeft.

"Deze analyse laat zien hoe neuronen in hogere hersencentra kunnen profiteren van gebalanceerde berekeningen in de periferie", aldus Su. "Wat dit werk echt naar een ander niveau brengt, is hoeveel deze perifere voorverwerking de hogere hersenfunctie en circuitoperaties kan beïnvloeden."

Dit werk kan een inspiratiebron zijn voor onderzoek naar de rol van verwerking in perifere organen in andere zintuigen, zoals zicht of gehoor, en een basis helpen vormen voor het ontwerpen van compacte detectieapparatuur met de mogelijkheid om complexe gegevens te interpreteren.

"Deze bevindingen geven inzicht in de fundamentele principes van complexe sensorische berekeningen in de biologie, en openen deuren voor toekomstig onderzoek naar het gebruik van deze principes om krachtige technische systemen te ontwerpen", aldus Puri.

Meer informatie: Palka Puri et al., Perifere voorverwerking bij Drosophila vergemakkelijkt geurclassificatie, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316799121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Californië - San Diego