Onderzoekers van de Washington University in St. Louis hebben een pre-proof gepubliceerd in Biosensors and Bioelectronics, waarin zij lieten zien hoe ze in staat waren om het olfactorische systeem van een sprinkhaan te kapen om explosieve geuren te detecteren en te onderscheiden. In combinatie met een biorobotisch detectiesysteem is dit een stap op weg naar sprinkhanen als cyborgs die kunnen helpen bij het vinden van explosieven.
Als je een sprinkhaan wilt verbeteren om te gebruiken als een bom-snuivende bug, zijn er een paar technische uitdagingen die moeten worden opgelost voordat je hem het veld in stuurt. Is er een manier om de sprinkhaan te sturen – om hem te vertellen waar hij heen moet om te snuffelen? En omdat de sprinkhanen (nog) niet kunnen spreken, is er een manier om de hersenen van deze cyborgbeestjes te lezen om te weten wat ze ruiken? Kunnen sprinkhanen trouwens zelfs explosieven ruiken?
Ja en ja op de eerste twee vragen. Eerder onderzoek van de Washington University in St. Louis heeft zowel het vermogen aangetoond om de sprinkhanen onder controle te houden als het vermogen om als het ware hun hersenen te lezen om te onderscheiden wat ze ruiken. En nu, dankzij nieuw onderzoek van de McKelvey School of Engineering, is de derde vraag opgelost.
Het antwoord, nogmaals: ‘ja’.
Milliseconden
In een pre-proof gepubliceerd online op 6 augustus in het tijdschrift Biosensors and Bioelectronics: X, lieten onderzoekers zien hoe ze in staat waren om het olfactorische systeem van een sprinkhaan te kapen om zowel verschillende explosieve geuren te detecteren als te onderscheiden – allemaal binnen een paar honderd milliseconden na blootstelling .
Ze waren ook in staat om een eerder ontwikkeld biorobotisch detectiesysteem te optimaliseren dat de afvurende neuronen van de sprinkhanen kon detecteren en die informatie kon overbrengen op een manier die onderzoekers vertelde over de geuren die de sprinkhanen waarnamen.
Signalen
“We wisten niet of ze de explosieven zouden kunnen ruiken of lokaliseren, omdat ze geen zinvolle ecologische betekenis hebben”, zegt Barani Raman, hoogleraar biomedische technologie. “Het was mogelijk dat ze zich niet druk maakten om de signalen die in dit specifieke geval voor ons van belang waren.”
Eerder werk in het laboratorium van Raman leidde tot de ontdekking dat het olfactorische systeem van de sprinkhaan kan worden gedecodeerd als een ‘of-van-en’-logische operatie. Hierdoor konden onderzoekers bepalen wat een sprinkhaan rook in verschillende contexten.
Gegevens
Met deze kennis waren de onderzoekers in staat om naar vergelijkbare patronen te zoeken wanneer ze sprinkhanen blootstelden aan dampen van TNT, DNT, RDX, PETN en ammoniumnitraat – een chemisch diverse reeks explosieven. “Zeer verrassend”, zei Raman, “konden we duidelijk zien dat de neuronen verschillend reageerden op TNT en DNT, evenals op deze andere explosieve chemische dampen.”
Met dat cruciale stukje gegevens zei Raman: “We waren klaar om aan het werk te gaan. We waren geoptimaliseerd.”
Nu wisten ze dat de sprinkhanen verschillende explosieven konden detecteren en onderscheiden, maar om een bom te vinden, zou een sprinkhaan moeten weten uit welke richting de geur afkomstig was. Voer het “geurvak en sprinkhaanmobiel” in.
Koffie
‘Weet je dat als je dicht bij de koffiezaak bent, de koffiegeur sterker is, en als je verder weg bent, ruik je het minder? Dat is waar we naar keken,’ zei Raman. De explosieve dampen werden geïnjecteerd via een gat in de doos waar de sprinkhaan in een klein voertuig zat. Terwijl de sprinkhaan rondreed en verschillende concentraties dampen opsnoof, bestudeerden onderzoekers de geurgerelateerde hersenactiviteit.
De signalen in de hersenen van de insecten weerspiegelden die verschillen in dampconcentratie.
De volgende stap was het optimaliseren van het systeem voor het overbrengen van de hersenactiviteit van de sprinkhanen. Het team, dat bestond uit Shantanu Chakrabartty, de Clifford W. Murphy-professor in de Preston M. Green-afdeling Electrical & Systems Engineering, en Srikanth Singamaneni, de Lilyan & E. Lisle Hughes-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde & Materiaalwetenschappen, concentreerde zich de breedte van hun expertise op de kleine sprinkhaan.
Stabiel
Om de sprinkhanen zo min mogelijk schade te berokkenen en ze stabiel te houden om hun neurale activiteit nauwkeurig vast te leggen, bedacht het team een nieuwe chirurgische procedure om elektroden te bevestigen die de beweging van de sprinkhanen niet belemmerden. Met hun nieuwe instrumentarium werd de neuronale activiteit van een sprinkhaan die was blootgesteld aan een explosieve geur binnen 500 milliseconden omgezet in een waarneembaar geurspecifiek patroon.
“Nu kunnen we de elektroden implanteren, de sprinkhaan verzegelen en ze naar mobiele omgevingen transporteren”, zei Raman. Op een dag zou die omgeving er een kunnen zijn waarin Homeland Security op zoek is naar explosieven.
Het idee is niet zo vreemd als het op het eerste gezicht klinkt, zei Raman.
“Dit is niet zo veel anders dan vroeger, toen mijnwerkers kanaries gebruikten”, zei hij. “Mensen gebruiken varkens om truffels te vinden. Het is een vergelijkbare aanpak – met een biologisch organisme – dit is net iets geavanceerder.”
Beeld: Raman Lab
