Wij mensen zijn veelzijdige en bekwame navigators, maar insecten hebben misschien navigatievaardigheden die nog beter zijn. Voor hen is het letterlijk een kwestie van leven of dood – en daarom besloten we enkele mieren en kevers in te vriezen (geen zorgen, ze hebben het nog overleefd) om meer te weten te komen over hoe ze zich de weg naar huis herinneren na een uitstapje.
Hun vaardigheden zijn behoorlijk indrukwekkend. Mieren die in de zoutpannen van de Sahara leven, kunnen meer dan een kilometer afleggen en weten op elk moment waar ze zich bevinden ten opzichte van hun nest. Er zijn geen herkenningspunten of andere kenmerken in dat terrein om de mieren te helpen herkennen waar ze zijn. In plaats daarvan gebruiken de mieren, net als de grote ontdekkingsreizigers zoals Christoffel Columbus en Ferdinand Magellan, de stand van de zon aan de hemel als kompas en hun eigen beweging om afstanden in te schatten. Als je weet in welke richting en over welke afstand je van huis bent weggelopen, kun je een lijn trekken die er weer naar terug wijst. Zo kunnen de mieren veilig naar huis terugkeren nadat ze voedsel hebben gevonden.
Om enig perspectief te geven op wat deze opmerkelijke insecten doen, bedenk dat één kilometer ongeveer 100.000 keer de lichaamslengte van een mier is. Dat komt overeen met een mens die van New York naar Washington DC loopt, en dan terug, terwijl hij op elk moment de juiste richting kent en weet hoe ver hij nog moet zonder gebruik te maken van oriëntatiepunten.
We wilden meer te weten komen over hoe ze dat doen.
Binnen in het insectenbrein
Dankzij recente ontwikkelingen in de microscopie en de genetica zijn wetenschappers erin geslaagd verschillende hersencellen verschillende kleuren licht te laten uitstralen. Deze enorme prestatie stelde onderzoekers in staat individuele neuronen te onderscheiden en te ontwarren hoe ze met elkaar in verbinding staan in de neurale spaghetti waaruit de hersenen zijn opgebouwd.
De techniek is gebruikt om te zien hoe de hersenen van een insect zijn richting bijhouden – en hersencellen te identificeren die de snelheid van een insect coderen terwijl het beweegt. Met die informatie kan het brein berekenen hoe ver het heeft gereisd door tijdens de reis voortdurend de huidige snelheid aan het geheugen toe te voegen.
Zowel de richting als de afstand die het insect heeft afgelegd, worden gecodeerd door neuronen in zijn hersenen terwijl het wegreist van zijn nest. Maar hoe wordt dit in hun geheugen opgeslagen zodat ze de weg terug kunnen vinden?
Onderzoek naar geheugen
Om eerlijk te zijn, het was nogal een raadselachtig raadsel. De snel bewegende insecten die navigeren moeten hun geheugen van richting en afstand voortdurend bijwerken, en toch kunnen ze het enkele dagen onthouden. Deze twee aspecten van het geheugen – snel bijwerken en lang onthouden – worden gewoonlijk als onverenigbaar beschouwd, maar insecten schijnen erin te slagen ze te combineren.
We wilden onderzoeken hoe insecten erin slagen om herinneringen die voortdurend worden bijgewerkt, gedurende lange tijd te onthouden – en we besloten dat het bevriezen van de insecten de beste manier was om het antwoord te vinden. Klinkt vreemd, ik weet het, maar laat me uitleggen waarom.
Anesthesisten weten dat wanneer iemand onder narcose gaat, hij bepaalde dingen vergeet die voor de narcose gebeurd zijn, maar zich andere dingen herinnert, afhankelijk van hoe deze herinneringen opgeslagen zijn. Wat het dichtst bij anesthesie voor insecten komt, is ze afkoelen. Wanneer hun temperatuur wordt verlaagd tot de temperatuur van smeltend ijs (0ºC), stopt de elektrische activiteit in de hersenen, en vallen de insecten in een coma.
Als hun richting- en afstandsherinneringen in stand worden gehouden als kortstondige elektrische activiteit, zullen ze worden uitgewist als ze worden bevroren – maar als ze zijn opgeslagen in synapsen tussen neuronen (als langdurige herinneringen) zullen ze in stand worden gehouden.
Dus, we vingen mieren en kevers wanneer ze niet in hun nesten waren en koelden ze af tot smeltijs temperatuur (0ºC) gedurende 30 minuten. Daarna brachten we ze terug naar omgevingstemperatuur en, zodra ze hersteld waren, lieten we ze los op een onbekende plaats om te zien wat ze zouden doen.
Lees meer:
In een mierenwereld geldt: hoe kleiner je bent, hoe moeilijker het is om obstakels te zien
Wanneer deze insecten worden losgelaten op een onbekende plaats in hun thuisomgeving, rennen ze recht op de plaats af waar hun nest zou zijn geweest als ze niet waren verplaatst. Dat wil zeggen dat ze parallel aan hun normale pad zouden lopen, en als ze eenmaal de verwachte afstand hebben afgelegd, zouden ze beginnen met het zoeken naar de ingang van hun nest.
Maar we ontdekten dat de insecten die bevroren waren zich in de verwachte richting bewogen, maar vergeten waren welke afstand ze moesten afleggen – dit betekende dat ze te vroeg begonnen met het zoeken naar de ingang van hun nest.
Het was aanvankelijk raadselachtig dat het afstandsgeheugen verslechterde terwijl het richtinggeheugen behouden bleef – dit resultaat leverde niet het duidelijke onderscheid op tussen kortetermijngeheugen (vergeten) en langetermijngeheugen (behouden) dat we hadden verwacht. Maar wij denken dat de beste verklaring voor het fenomeen niet twee afzonderlijke geheugens zijn, maar één gemeenschappelijk geheugen dat zowel de richting als de afstand samen codeert – en gedeeltelijk vervalt wanneer het bevroren wordt.
Hier is hoe we denken dat het werkt.
Stel je voor dat je in plaats van een afstand en een richting (of hoek) te onthouden, je positie onthoudt in x-y coördinaten, dat wil zeggen, het Cartesische coördinatenstelsel waar we op school over hebben geleerd.
Als je dan een deel van je geheugen verliest, worden zowel je x- als je y-waarden kleiner, en ervan uitgaande dat je in beide assen een even groot deel van je geheugen verliest, eindig je met een kortere afstand maar nog steeds dezelfde hoek, of richting. Het lijkt erop dat insecten al cartesiaanse coördinatenstelsels gebruikten om thuis te komen lang voordat René Descartes het concept formaliseerde. Hoe cool is dat?
Of we nu mens of insect zijn, we moeten allemaal naar huis terugkeren. Leren hoe insectenhersenen onthouden zal ons helpen te begrijpen hoe wij mensen het ook doen.
Ioannis Pisokas heeft financiering ontvangen van de Universiteit van Edinburgh.
Ajay Narendra ontvangt financiering van de Australian Research Council, Hermon Slade Foundation.
Ayse Yilmaz-Heusinger werkt niet voor, geeft geen advies aan, heeft geen aandelen in, en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante relaties buiten haar academische aanstelling bekend gemaakt.
