Нейроны обонятельной доли мозга американской саранчи по-разному реагируют на вещества и концентрации этих веществ. Это свойство может быть использовано с целью поиска взрывчатых веществ.
Саранча, модифицированная для поиска взрывчатки / © Washington Post
У собак, которые ищут взрывчатку, может появиться новый конкурент. Группа ученых из Университета Вашингтона в Сент-Луисе использовала обонятельные способности американской саранчи Shistocerca americana для создания «живых анализаторов взрывчатки». Статья об этом выложена в базе препринтов BioRxiv.
Насекомые воспринимают запахи при помощи нейронов обонятельных рецепторов в усиках. Эти рецепторы передают сигнал в так называемую обонятельную долю мозга. У саранчи на каждом усике насчитывается не менее 50 тысяч подобных нейронов.
Американская саранча была выбрана для проведения экспериментов по ряду причин. Во-первых, обонятельная система этих существ хорошо изучена. Во-вторых, в нервной системе саранчи присутствуют так называемые безымпульсные нейроны, которые не генерируют потенциал действия, что облегчает регистрацию сигналов с проекционных нейронов, более чувствительных к обонятельным раздражителям. Кроме того, саранча хорошо переносит хирургические вмешательства, способна нести на себе полезные грузы и может быть обучена распознаванию запахов.
Чтобы оценить способность S. americana определять взрывчатку, ученые подвергали усики насекомых воздействию паров различных взрывоопасных веществ, таких как тринитротолуол (известный под коммерческим названием тротил) и его химический предшественник 2,4-динитротолуол. В качестве контроля использовались субстанции без взрывчатых свойств, например теплый воздух и бензальдегид (ароматическое вещество, основной компонент миндального масла).
Чтобы проверить, как именно саранча реагирует на запахи, исследователи вживили в их обонятельные доли электроды для регистрации нейронной активности. Оказалось, при воздействии разных типов веществ у насекомых активировались различные группы нейронов.
«Активация нейронных ансамблей показывает уникальные мультивариантные химические «слепки», которые дают возможность различать пары взрывоопасных веществ от остальных, — пишут ученые в своей статье. — Целевое химическое распознавание занимает лишь несколько сотен миллисекунд».
Авторы исследования также разработали электрофизиологическую систему регистрации и передачи сигналов обонятельной доли. Она выглядит как крохотный рюкзак, который помещали саранче на спину. Эти сенсоры записывали и передавали активность обонятельных долей мозга насекомых на компьютеры по беспроводной связи.
Саранча с вживленными электродами успешно распознавала ароматы паров взрывчатых субстанций на протяжении семи часов. После этого насекомые погибали от усталости. Чтобы нивелировать эффект истощения, исследователи обездвижили существ, закрепив их на подвижных платформах с дистанционным управлением. Оказалось, саранча не только может определять типы вещества, но и образом реагирует на различающиеся концентрации взрывчатых веществ в воздухе.
Ученые также протестировали схему обработки данных, в которой объединялась информация от нескольких насекомых. Такой метод позволит эффективно определять концентрацию целевых веществ в местах с разнонаправленными потоками воздуха, где содержание отдельных молекул может заметно колебаться в ограниченном объеме пространства. Выяснилось, что объединение данных, полученных от семи насекомых, повышало точность определения примерно на треть.
Исследователи полагают, что «поисковую саранчу» можно использовать для обеспечения внутренней безопасности. В дальнейших исследованиях ученые хотят определить, насколько хорошо биологическая сенсорная система на основе саранчи работает в тех случаях, когда в воздухе присутствуют пары нескольких веществ одновременно.
