Wie Honigbienen mit Octopamin und Tyramin ihre Lerngeschwindigkeit bestimmen

Wie entscheidet ein winziges Gehirn, wie schnell es lernen kann? Eine neue Studie zu Honigbienen zeigt: Die Lerngeschwindigkeit hängt von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen zwei Botenstoffen im Gehirn ab.

Noch bevor eine Biene überhaupt eine Belohnung erhält, lässt ihre Hirnaktivität erkennen, wie rasch sie später lernt. Zu diesem Ergebnis kam ein Forschungsteam unter Leitung des Fralin-Instituts für biomedizinische Forschung der Technischen Universität Virginia.

Warum Bienen schnell lernen müssen

Eine Arbeiterin lebt nur einige Wochen. In dieser kurzen Zeit muss sie Blüten finden, Nektar sammeln und sicher in den Stock zurückkehren. Standorte von Blüten und die Menge an Nektar verändern sich häufig. Für das Überleben ist entscheidend, welche Gerüche zuverlässig zu Nahrung führen.

„Eine Biene kann nicht auf die Welt kommen und bereits wissen, was sie wissen muss, um Blüten zu finden und Nektar sowie Pollen zu ernten“, sagte Brian A. Smith von der Arizona-Staatsuniversität.

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

Außerdem muss Lernen anpassungsfähig bleiben. „Diese Biene muss eine Lernmaschine sein“, sagte Smith. „Man muss bereit sein, das von gestern zu vergessen und heute etwas Neues zu lernen. Und wenn sie das nicht kann, wird sie ihre Aufgabe innerhalb der Kolonie nie erfüllen können.“

Hirnbotenstoffe hinter dem Lernen

Im Mittelpunkt der Untersuchung standen vier Neurotransmitter: Dopamin, Serotonin, Octopamin und Tyramin.

Octopamin und Tyramin sind für das Verhalten von Insekten besonders wichtig. In Nervenzellen wird Tyramin zu Octopamin umgewandelt, und beide wirken häufig gegensätzlich.

Frühere Arbeiten zeigten, dass Octopamin beim Lernen als Belohnungssignal wirken kann. Tyramin löst bei bestimmten Verhaltensweisen oft entgegengesetzte Effekte aus.

Bei anderen Insekten beeinflusst das Gleichgewicht dieser beiden Stoffe Fressen, Bewegung und sogar Reaktionen wie Anziehung oder Vermeidung.

Bei Bienen stellten die Forschenden fest, dass der Unterschied zwischen den Konzentrationen von Octopamin und Tyramin wie eine chemische Signatur wirkt. War dieser Unterschied früh stark ausgeprägt, sagte das schnelleres Lernen voraus. War er schwach oder trat zeitverzögert auf, deutete das auf langsameres Lernen hin.

Winzige Signale messen

Um derart kleine Veränderungen zu erfassen, setzten die Forschenden extrem dünne Elektroden aus Kohlenstofffasern in ein Bienengehirn ein. Die Elektroden waren auf einen Geruchsverarbeitungsbereich ausgerichtet, den Antennallobus.

Mithilfe von Modellen des maschinellen Lernens wurden die chemischen Veränderungen viele Male pro Sekunde erfasst.

„Wir hatten nicht einmal eine Methode, um Monoamine in Bienengehirnen zu messen“, sagte der Mitautor der Studie, Pendleton R. Montague.

„Jetzt haben wir diese Arbeit aus Untersuchungen am Menschen genommen und sie auf winzige Elektroden übertragen, die wir in ein Bienengehirn einsetzen können, während die Biene lernt und konditioniert wird.“

Modelle des tiefen Lernens wurden mit bekannten chemischen Mischungen trainiert. Nach dem Training konnte das System die Werte von Dopamin, Serotonin, Octopamin und Tyramin während des Lernens in Echtzeit schätzen.

Wie Bienen lernen, wurde im Labor getestet

In Labortests roch eine Biene an einem Duftstoff namens Hexanol. Etwa eine Sekunde später berührte Zuckerwasser ihre Antenne.

Nach mehreren Kopplungen lernte die Biene, ihren Fressrüssel auszustrecken, wenn der Geruch allein auftauchte. Diese Reaktion wird als Rüsselstreckreaktion bezeichnet.

Einige Bienen lernten bereits nach nur drei Paarungen von Geruch und Zucker. Andere brauchten bis zu acht. Und wenige zeigten in zwölf Durchgängen überhaupt kein Lernen.

Bevor Zucker überhaupt ins Spiel kam, wurden die Bienen zunächst nur dem Geruch ausgesetzt. Schon in dieser frühen Phase sagte das chemische Muster die spätere Lerngeschwindigkeit voraus.

Bienen, bei denen das Signal „Octopamin minus Tyramin“ früher einsetzte und stärker war, lernten anschließend schneller.

Dopamin und Serotonin zeigten dieses Vorhersagemuster nicht. Während der wiederholten Trainingsdurchgänge nahmen Dopamin- und Serotoninspiegel sowohl bei Lernenden als auch bei Nichtlernenden schrittweise ab.

Octopamin und Tyramin verhielten sich dagegen deutlich komplexer.

Signale, die den Lernstil prägen

Octopamin und Tyramin beschreiben die Wissenschaftler als ein gegnerisches Paar: Steigt der eine Stoff, fällt der andere, wodurch ein Differenzsignal entsteht. Zeitpunkt und Stärke dieser Differenz spiegelten wider, wie schnell eine Biene eine Verknüpfung bildet.

Sobald eine Biene die Verbindung zwischen Geruch und Belohnung erfolgreich gelernt hatte, drehte sich das chemische Muster in die andere Richtung – was möglicherweise weiteres Lernen begrenzt, sobald die Aufgabe beherrscht ist. Dieser Mechanismus könnte Überlernen verhindern und Bienen helfen, ihre Aufmerksamkeit neu auszurichten.

Eine mathematische Auswertung zeigte, dass ein zentrales verborgenes Muster in den chemischen Daten stark mit der Lerngeschwindigkeit zusammenhing. Dieses Muster spiegelte vor allem die Aktivität von Octopamin und Tyramin wider.

Warum Unterschiede einer Kolonie nützen können

Für einen Stock muss es nicht unbedingt vorteilhaft sein, wenn alle Bienen gleich schnell lernen. Schnell Lernende könnten bekannte Blütenquellen zügig ausnutzen.

Langsamer Lernende könnten dafür besser auf langfristige Veränderungen in der Umwelt reagieren. Genetische Unterschiede unter Arbeiterinnen können Lernstil und Sammelrollen beeinflussen.

„Bienen haben ausgefeilte Systeme, um das 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 über 130 Millionen Jahren entwickelt haben. Ähnliche Systeme beeinflussen auch heute noch Aufmerksamkeit und Lernen beim Menschen.

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

„Für die Biomedizin gibt uns das Verständnis neuronaler Netzwerke einen Einblick, wie grössere Gehirne funktionieren“, sagte Smith.

Durch die Untersuchung eines Gehirns, das kleiner als ein Reiskorn ist, gewannen Wissenschaftler neue Hinweise darauf, wie Lernen überhaupt anläuft.

Ein einfaches chemisches Gleichgewicht in einer Biene kann darüber entscheiden, ob neue Informationen schnell oder langsam haften bleiben. Dieses winzige Gleichgewicht könnte Hinweise darauf liefern, wie Lernen bei vielen Arten funktioniert – einschliesslich beim Menschen.