Die Intelligenz der Bienen und wie ihr kleines Gehirn das schafft
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Die Intelligenz der Bienen und wie ihr kleines Gehirn das schafft Wie Bienen navigieren und wie sie durch Pestizide gestört werden Randolf Menzel, Freie Universität Berlin www.neurobiologie.fu-berlin.de Weimar 2014 Logistik Unternehmen mit millionenfachen Aufträgen Auftrag: Gezielter Transport von Material Tausende Auftraggeber Ständig wechselnde Auftraggeber Radius: ½ Million fache der Transporterlänge (entspräche 1000 km für Lastwagen) Logistikzentrale Ziel: hoher Profit, hohe Rendite Die Intelligenz der Bienen und wie ihr kleines Gehirn das schafft Randolf Menzel, Freie Universität Berlin www.neurobiologie.fu-berlin.de Weimar 2014 Bienen lernen die Eigenschaften von Blüten (Duft, Farbe, Gestalt, und wie sie den Nektar und Pollen am besten gewinnen können) Karl von Frisch 1886 - 1982 Eine der wichtigsten Entdeckungen von Karl von Frisch: Bienen lassen sich als einzelne Tiere dressieren Karl von Frisch 1886 - 1982 Bienen lernen schnell und halten das Gelernte lange im Gedächtnis + Winterbienen erinnern sich auch im Frühjahr an das, was sie im Herbst gelernt hatten (M. Lindauer) - Farben lernen % Richtigwahl drei Belohnungen 80 Solche Experimente zeigen: 70 60 eine 50 Belohnung 1 2 3 4 5 Stunden 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tage Gedächtnis -Sie haben wie andere Tier und der Mensch verschiedene Gedächtnisphasen. -Die Überschreibung von frühen zu späten Gedächtnisphasen erfolgt über Molekülreaktionen, die denen bei anderen Tieren und dem Menschen gleichen. Bienen lernen nicht nur einfache Aufgaben: Spiegel symmetrische von unsymmetrischen Formen unterscheiden Dressurmuster Asymmetrie Symmetrie Symmetrie Asymmetrie Umkehr % Richtigwahl Testmuster Abstrahieren Bienen? Giurfa et al.1996 Lernen von Regeln: Gleich oder verschieden Vergleichen und wählen: gleich oder verschieden a ) A c q u is itio n 100 100 C o lo u r t r a in in g % C o r r e c t c h o ic e s % C o r r e c t c h o ic e s P a t t e r n t r a in in g 75 50 25 0 b ) T r a n sfe r te sts w ith p a tte r n s (C o lo u r tr a in in g ) c ) T r a n sfe r te sts w ith c o lo u r s (P a tte r n tr a in in g ) C h o ic e o f V e r t ic a l C h o ic e o f B lu e C h o ic e o f H o r iz o n t a l C h o ic e o f Y e llo w 80 60 40 20 0 1 2 Giurfa et al. 2001 3 4 B lo c k 5 6 V e r tic a l H o r iz o n ta l S a m p le B lu e Y e llo w Duft Lernen CS+: Duft Viele Kontrollen zeigen, dass dies eine einfache Form des assoziativen Lernens ist. Auch komplexere Formen des assoziativen Lernens meistert die Biene unter diesen Bedingungen. CS: odor Test Situation Nur der gelernte Duft wird präsentiert Lernen: Erinnern (Gedächtnis): Amnesie Das Bienengehirn: etwa 1 mm3, ca eine Million Neurone Neuronale Netze im zentralen Bienengehirn C J. Rybak, 2011 Wir kennen einzelne Neurone im Bienengehirn und ihre Verschaltung Pilzkörper Das Neuron mit dem Namen PE 1 Ein ProjektionsNeuron vom Antennenlobus zum Pilzkörper Antennen Lobus Die olfaktorische Bahn Pilzkörper laterales Protocerebrum Antennal Lobus mit 160 Glomeruli Apis mellifera Antenne mit 60 000 Rezeptoren Die Belohnungsbahn beim Duftlernen VUMmx1: das Belohnungsneuron Wo im Gehirn der Biene suchen wir das Duftgedächtnis? Duft induzierte Signale Neurone im Pilzkörper Pilzkörper Synapsen der Projektionsneurone PN boutons Projektionsneurone Szyszka et al. 2005 Glomeruli Im Antennal Lobus min DF/F max Antennal Lobus für Düfte imdie Pilzkörper Eingang WasGedächtnisspur ändert sich im Pilzkörper wenn Biene einen Duft lernt? Vortest später gelernter Duft Training 5x später nicht gelernter Duft gelernter Duft Mit Belohnung gepaart nicht gelernter Duft Nachtest gelernter Duft nicht gelernter Duft gelernter Duft Vortest Aktivität violett Nachtest Aktivität grün Aktivität sowohl bei Vortest wie Nachtest: weiß nicht gelernter Duft Szyszka et al. 2008 Szyszka et al. Frontiers NS 2008 Darstellung des Duftgedächtnisses im Eingang des Pilzkörpers gelernter Duft durch Lernen gewonnene Aktivität nicht gelernter Duft Die Gedächtnisspur im Pilzkörper Eingang: durch Lernen verlorene Aktivität Von den vielen dicht gepackten Neuronen im Pilzkörper sind nur wenige beteiligt. Keine Änderung durch Lernen Insgesamt steigt die Aktivität für den gelernten Duft und sinkt für den nicht gelernten Duft, aber auch die umgekehrten Effekte treten auf. Das räumliche Muster der duftspezifischen Aktivität ändert sich durch Lernen massiv. Duft Kodierung und Duft Speicherung im Eingang zum Pilzkörper Belohnungssignal Pilzkörper Eingang Projektions Neurone vom Antennal Lobus Weitere Eingänge zum Pilzkörper: vom Sehsystem vom Fühlen vom Schmecken + + + + + - +-+ Hemmende Rückmeldung aus dem Ausgang des Pilzkörpers in seinen Eingang • Übersetzung eines komplexen zeitlichräumlichen Eingangscode in einen binären räumlichen Code • Sparsame Codierung der Duft Information Hemmende Rückkopplungsneurone des Pilzkörpers Pilzkörper Eingang + + + + + - +-+ - Melden diese Rückkopplungsneurone gelernte Reizkonstellationen? Wozu könnte diese hemmende Rückmeldung dienen? Kontext abhängiges Lernen: die Duftbelohnung hängt von einem visuellen Stimulus (Farbe) ab belohnte Farbe F+ belohnter Duft D+ nicht belohnte Farbe F- nicht belohnter Duft D- Im Erinnerungstest werden die einzelnen Reize getestet (F+, D+, F-, D-) und alle Kombinationen (F+D+; F+D-; F-D+; F-D-). Richtiges Verhalten O+ O- O +O F+ D- nur D+ C +C F+ D+ FD+ 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 C+ C- FD- Z score [count per sec] 10 8 6 4 2 0 -2 -4 Fehlerhaftes Verhalten W3: Odor Responses Error Signals Aktivität Neuron per sec] [count Z score Aktivität neuronale per sec] [count Z score 8 6 4 2 0 2 4 6 8 Was machen die Rückkopplungsneurone nach dem Lernen wenn die Tiere richtig oder falsch reagieren? F+ D- Error Signa 8 6 + O 4O 2 0 -2 -4 -6 -8 C +C F+ D+ Der „Fehler“ der Neurone besteht darin, dass sie für eine falsche Reizkonstellation ein Signal geben das sie für das richtige Signal gelernt hatten. Wenn die Tiere Fehler machen dann ist auch die Aktivität in den Rückkopplungsneuronen „falsch“ FD+ Gedächtnisbildung im Schlaf Schlafverhinderung durch Schütteln Lernen, kein Schlaf Lernen und Schlaf Lernen mit Belohnung 0h Lernen Ohne Belohnung 24h Test 48h Schlaf fördert auch das Gedächtnis für das Zurückfinden zum Stock Bienen schlafen an bevorzugten Stellen auf der Wabe. Schlaf aktiv Stock Rückflug Bienen werden versetzt nicht zurückgekehrt Futterstelle % mit Schlaf ohne Schlaf 1. 2. 1. 2. Auf- Auf Auf- Auf lass lass lass lass Wenn man Bienen im Schlaf an das Gelernte erinnert ist ihr Gedächtnis am nächsten Tag besser 20 Bienen im Schlaflabor Duft A wenn sie schlafen Duft B wenn sie schlafen Duft A wenn sie nicht schlafen Duft B wenn sie nicht schlafen Kein Duft Duft A Wärme Reiz Lernen Belohnung Schlaf in der Nacht Sie erinnern sich an die Lernaufgabe am besten wenn sie Duft A während des Schlafens bekamen Martin Giurfa Mariana Gil Jacqueline Fuchs Andreas Kirbach Uwe Greggers Gisela Manz Martin Hammer Ryuichi Okada Jürgen Rybak Paul Szyszka Ryuichi Okada Martin Strube-Bloss Martin Nawrot Ina Sella Martin Hammer Ryuichi Okada Martin Strube-Bloss Gisela Manz Paul Szyszka Unterstützt durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bernstein Center of comoputational neuroscience, Hertie-Stiftung, Tschira-Stiftung, A.v.Humboldt-Stiftung, Deutscher Akademischer Austauschdienst, Olin Stiftung, Freie Universität Berlin Ina Sella das Radar Team Ich danke Ihnen für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit. Bleiben Sie Ihren Bienen treu. Unsere web site: http://www.neurobiologie.fu-berlin.de/menzel/forschungsthematik-menzel.html http://www.neurobiologie.fu-berlin.de/Umweltspäher/Startseite_BienenUmweltspaeher.html
