Обонятельные нейроны американской саранчи демонстрируют различную чувствительность к различным веществам и их концентрациям. Данная особенность позволяет использовать насекомых для обнаружения взрывчатых веществ.
В будущем у собак, обученных поиску взрывчатых веществ, может появиться новый соперник. Исследователи из Университета Вашингтона в Сент-Луисе применили обонятельные возможности американской саранчи Shistocerca americana для создания «живых анализаторов взрывчатки». Статья об этом выложена в базе препринтов BioRxiv.
Насекомые ощущают запахи благодаря нейронам обонятельных рецепторов, расположенным на усиках. Эти рецепторы передают информацию в специализированную область мозга, называемую обонятельной долей. У саранчи на каждом усике находится не менее 50 000 таких нейронов.
Выбор американской саранчи для проведения экспериментов обусловлен несколькими факторами. Прежде всего, обонятельная система этих насекомых достаточно хорошо исследована. Кроме того, в их нервной системе содержатся безымпульсные нейроны, не генерирующие потенциал действия, что упрощает регистрацию сигналов от проекционных нейронов, более восприимчивых к обонятельным стимулам. Также саранча хорошо переносит хирургические манипуляции, способна переносить 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).
Для изучения реакции саранчи на запахи, ученые имплантировали электроды в обонятельные доли с целью регистрации активности нейронов. В ходе исследования было установлено, что при воздействии различных веществ у насекомых активируются разные группы нейронов.
«По словам исследователей, активация нейронных ансамблей демонстрирует уникальные химические «отпечатки», позволяющие дифференцировать пары взрывоопасных веществ. Химическое распознавание цели достигается всего за несколько сотен миллисекунд».
В рамках исследования была создана электрофизиологическая система для регистрации и передачи сигналов, поступающих от обонятельной доли. Устройство представляет собой миниатюрный рюкзак, который крепился к саранче. С помощью этих сенсоров фиксировалась активность обонятельных областей мозга насекомых и передавалась на компьютеры посредством беспроводной связи.
Саранча, оснащенная электродами, демонстрировала способность к распознаванию запахов, исходящих от взрывчатых веществ, в течение семи часов. После этого насекомые умирали из-за физического истощения. Для уменьшения влияния усталости, ученые зафиксировали их на управляемых платформах, что позволило обездвижить существ. Исследования показали, что саранча способна не только идентифицировать типы веществ, но и изменять свою реакцию в зависимости от концентрации взрывчатых соединений в атмосфере.
Специалисты провели испытания методики обработки данных, предполагающей интеграцию информации, поступающей от нескольких насекомых. Этот подход позволяет результативно устанавливать концентрацию определенных веществ в зонах с различными направлениями воздушных потоков, где содержание отдельных молекул может значительно меняться в небольшом пространстве. Анализ показал, что совместная обработка данных, полученных от семи насекомых, увеличивала точность определения приблизительно на треть.
Ученые считают, что «поисковую саранчу» можно применять для поддержания внутренней безопасности. В ходе последующих исследований они планируют выяснить, как эффективно биологическая сенсорная система, основанная на саранче, функционирует при одновременном наличии в воздухе нескольких типов веществ.