Honigbienen: Wie zwei Botenstoffe die Lerngeschwindigkeit bestimmen

Wie entscheidet ein winziges Gehirn, wie schnell es lernen kann? Eine neue Studie an Honigbienen zeigt, dass die Lerngeschwindigkeit von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen zwei Botenstoffen im Gehirn abhängt.

Noch bevor eine Biene eine Belohnung erhält, kann ihre Gehirnaktivität vorhersagen, wie rasch sie lernen wird. Das entdeckte ein Forschungsteam unter Leitung des Fralin Biomedical Research Institute der Virginia Tech.

Warum Bienen rasch lernen müssen

Eine Arbeitsbiene lebt nur wenige Wochen. In dieser kurzen Zeit muss sie Blüten finden, Nektar sammeln und sicher zu ihrem Stock zurückkehren. Standorte von Blüten und die Nektarmenge verändern sich häufig. Ihr Überleben hängt davon ab, zu lernen, welche Düfte zu Nahrung führen.

„Eine Biene kann nicht mit dem Wissen zur Welt kommen, das sie braucht, um Blüten zu finden und Nektar sowie Pollen zu sammeln“, sagte Brian A. Smith von der Arizona State University.

Eine Sammelbiene legt Strecken über mehrere Kilometer zurück. „Das ist ein riesiges Gebiet für ein Tier mit einem winzigen Gehirn“, ergänzte Smith.

Lernen muss flexibel bleiben. „Diese Biene muss eine Lernmaschine sein“, sagte Smith. „Man muss bereit sein, zu vergessen, was man gestern gelernt hat, und heute etwas Neues zu lernen. Und wenn sie das nicht können, werden sie ihre Aufgabe innerhalb der Kolonie niemals erfüllen können.“

Botenstoffe im Gehirn hinter dem Lernen

Die Forschenden konzentrierten sich auf vier Neurotransmitter: Dopamin, Serotonin, Octopamin und Tyramin.

Octopamin und Tyramin spielen im Verhalten von Insekten eine zentrale Rolle. In Nervenzellen wird Tyramin zu Octopamin umgewandelt, wobei die beiden Stoffe oft gegensätzlich wirken.

Frühere Untersuchungen zeigten, dass Octopamin beim Lernen als Belohnungssignal dienen kann. Tyramin erzeugt bei bestimmten Verhaltensweisen häufig entgegengesetzte Wirkungen.

Bei anderen Insekten beeinflusst das Gleichgewicht dieser beiden Chemikalien die Nahrungsaufnahme, Bewegung und sogar Reaktionen der Anziehung oder Vermeidung.

Bei Bienen stellten die Wissenschafter fest, dass die Differenz zwischen den Octopamin- und Tyraminwerten wie eine chemische Signatur wirkt. Eine starke frühe Differenz sagte schnelleres Lernen voraus. Eine schwächere oder verzögerte Differenz deutete auf langsameres Lernen hin.

Winzige Signale im Bienenhirn messen

Um derart kleine Veränderungen zu untersuchen, platzierten die Forschenden extrem dünne Kohlenstofffaserelektroden im Gehirn einer Biene. Die Elektroden waren auf einen Bereich zur Verarbeitung von Gerüchen gerichtet, den Antennenlappen.

Mithilfe von Modellen des maschinellen Lernens erfasste das Team die chemischen Veränderungen mehrmals pro Sekunde.

„Wir hatten nicht einmal eine Methode, um Monoamine und Bienengehirne zu messen“, sagte der Co-Autor der Studie, Pendleton R. Montague.

„Jetzt haben wir diese Arbeit beim Menschen genommen und sie auf winzig kleine Elektroden übertragen, die wir in ein Bienengehirn einsetzen können, während die Biene lernt und konditioniert wird.“

Deep-Learning-Modelle wurden mit bekannten chemischen Mischungen trainiert. Nach diesem Training konnte das System während des Lernens in Echtzeit die Konzentrationen von Dopamin, Serotonin, Octopamin und Tyramin schätzen.

Wie Bienen lernen, im Labortest

Bei Labortests nahm eine Biene den Geruch eines Stoffes namens Hexanol wahr. Rund eine Sekunde später berührte Zuckerwasser ihre Antenne.

Nach mehreren solchen Kopplungen lernte die Biene, ihren Saugrüssel auszustrecken, sobald der Geruch allein auftrat. Wissenschafter bezeichnen diese Handlung als Proboscis-Extension-Response.

Einige Bienen lernten bereits nach nur drei Kopplungen von Geruch und Zucker. Andere benötigten bis zu acht. Einige wenige zeigten während zwölf Durchgängen überhaupt kein Lernen.

Bevor jemals Zucker eingesetzt wurde, setzten die Forschenden die Bienen nur dem Geruch aus. Schon in diesem frühen Stadium sagte das chemische Muster die spätere Lerngeschwindigkeit voraus.

Bienen mit einem stärkeren und früher auftretenden Signal aus Octopamin minus Tyramin lernten später schneller.

Dopamin und Serotonin zeigten nicht dasselbe Vorhersagemuster. Während des wiederholten Trainings sanken die Werte von Dopamin und Serotonin sowohl bei lernenden als auch bei nicht lernenden Bienen allmählich.

Dagegen veränderten sich Octopamin und Tyramin auf komplexere Weise.

Signale, die den Lernstil von Bienen prägen

Wissenschafter beschreiben Octopamin und Tyramin als gegensätzliches Paar. Während der eine Wert steigt, fällt der andere, wodurch ein Differenzsignal entsteht. Zeitpunkt und Stärke dieser Differenz spiegelten wider, wie schnell eine Biene eine Verknüpfung bilden würde.

Nachdem eine Biene die Verbindung zwischen Geruch und Belohnung erfolgreich gelernt hatte, wechselte das chemische Muster seine Richtung – was weiteres Lernen begrenzen könnte, sobald die Aufgabe gemeistert ist. Dieser Mechanismus könnte übermässiges Lernen verhindern und Bienen helfen, ihre Aufmerksamkeit anzupassen.

Eine mathematische Analyse zeigte in den chemischen Daten ein wesentliches verborgenes Muster, das stark mit der Lerngeschwindigkeit zusammenhing. Dieses Muster spiegelte überwiegend die Aktivität von Octopamin und Tyramin wider.

Warum Unterschiede einer Kolonie helfen könnten

Dass nicht jede Biene mit derselben Geschwindigkeit lernt, kann für einen Bienenstock vorteilhaft sein. Schnelle Lernerinnen könnten bekannte Blütenquellen rasch nutzen.

Langsamere Lernerinnen könnten langfristige Veränderungen in der Umwelt besser berücksichtigen. Genetische Unterschiede zwischen Arbeitsbienen können den Lernstil und die Sammelaufgaben beeinflussen.

„Bienen verfügen über ausgeklügelte Systeme, um dies zu verfolgen“, sagte Montague. „Sie können diese Systeme nutzen, um vorsichtige oder riskante Entscheidungen zu treffen.“

Was das für Menschen bedeutet

Octopamin und Tyramin gehören zu uralten chemischen Systemen, die sich vor mehr als 130 Millionen Jahren entwickelten. Ähnliche Systeme beeinflussen noch immer Aufmerksamkeit und Lernen beim Menschen.

„Das sind evolutionär sehr, sehr alte Systeme, die wir noch immer in unserem Gehirn haben“, bemerkte Montague. „Man kann die Biene auf Reize in der Welt konditionieren, die für einen Menschen relevant sind.“

„Im Hinblick auf die Biomedizin gibt uns das Verständnis neuronaler Netzwerke gewisse Einblicke darin, wie grössere Gehirne funktionieren“, sagte Smith.

Durch die Untersuchung eines Gehirns, das kleiner als ein Reiskorn ist, gewannen Wissenschafter neue Erkenntnisse darüber, wie Lernen beginnt.

Ein einfaches chemisches Gleichgewicht in einer Biene kann bestimmen, ob neue Informationen rasch oder langsam haften bleiben. Dieses winzige Gleichgewicht könnte Hinweise auf das Lernen bei vielen Arten liefern, einschliesslich des Menschen.