Барани Раман, доктор философии, инженерная школа Прикладная наука в Вашингтонском университете в Сент-Луисе задалась целью найти ответ. Используя саранчу, которая имеет относительно простую сенсорную систему, идеально подходящую для изучения мозговой активности, он обнаружил, что запахи вызывают нервную активность в мозгу, что позволяет саранче правильно идентифицировать раздражитель даже при наличии других запахов.
Результаты были опубликованы в журнале Nature Neuroscience в качестве обложки декабрьского выпуска журнала за 2013 год.Команда использует пневматический насос с компьютерным управлением для подачи запаха саранче, у которой есть нейроны обонятельных рецепторов в антеннах, похожие на сенсорные нейроны в нашем носу. Через несколько секунд после подачи запаха саранча получает в награду кусочек травы, как форму Павлова.
Как и в случае с собакой Павлова, у которой выделялась слюна, когда она слышала звонок, дрессированные саранча ожидают награды, когда доставляется запах, используемый для дрессировки. Вместо того, чтобы слюноотделить, они открывают свои щупики или пальцевидные выступы рядом с ротовым аппаратом, когда предсказывают награду. Их ответ длился меньше полсекунды. Саранча могла распознавать обученные запахи, даже когда другой запах, призванный отвлечь их, был введен до целевой реплики.
«Мы ожидали такого результата, но скорость, с которой он был сделан, была удивительной», — говорит Раман, доцент кафедры биомедицинской инженерии. «Мозгу саранчи потребовалось всего несколько сотен миллисекунд, чтобы начать отслеживать новый запах, появившийся в окружающей среде. Саранча очень быстро обрабатывает химические сигналы».«В выбранных нами запахах было несколько интересных намеков», — говорит Раман. «Гераниол, который для нас пахнет розой, был аттрактантом для саранчи, но цитраль, который для нас пахнет лимоном, является для них репеллентом.
Это помогло нам определить общие принципы обработки запаха.
Раман потратил десять лет на изучение того, как человеческий мозг и обонятельная система обрабатывают запахи и сигналы запаха. Его исследования направлены на то, чтобы черпать вдохновение из биологической обонятельной системы, чтобы разработать устройство для неинвазивного химического зондирования. Такое устройство может быть использовано в приложениях внутренней безопасности для обнаружения летучих химикатов и в медицинской диагностике, например, устройство для проверки уровня содержания алкоголя в крови.
По словам Рамана, это первое исследование из серии, направленной на понимание принципов обонятельных вычислений.«Есть предварительный сигнал, который может сказать мозгу, что в окружающей среде есть хищник, и он должен предсказать, что произойдет дальше», — говорит Раман. «Мы хотим определить, какие вычисления необходимо произвести, чтобы сделать эти прогнозы».Кроме того, команда пытается ответить на другие вопросы.«Нейронная активность в центрах ранней обработки не прекращается, пока вы не остановите импульс запаха», — говорит он. «Если у вас длительный пульс — 5 или 10 секунд — какова роль нейронной активности, которая сохраняется на протяжении всей длительности стимула и часто даже после его прекращения?
Каковы роли нервной активности, генерируемой в разных точках вовремя, и как они помогают системе адаптироваться к окружающей среде? Эти вопросы до сих пор не ясны ».
Школа инженерии Прикладная наука в Вашингтонском университете в Сент-Луисе фокусирует интеллектуальные усилия с помощью новой парадигмы конвергенции и опирается на сильные стороны, особенно в применении к медицине и здоровью, энергии и окружающей среде, предпринимательству и безопасности. Имея 82 штатных / штатных преподавателя и 40 дополнительных штатных преподавателей, 1300 студентов бакалавриата, 700 аспирантов и более 23000 выпускников, мы работаем над усилением нашего партнерства с академическими и отраслевыми партнерами — по дисциплинам и по всему миру — внести свой вклад в решение величайших глобальных проблем 21 века.
Финансирование этого исследования было предоставлено Центром системной нейробиологии Макдоннелла и Департаментом биомедицинской инженерии Вашингтонского университета и Управлением военно-морских исследований Министерства обороны США.