Fruitvliegen vertonen kenmerken van angst

Een fruitvlieg doet zich tegoed aan een stukje fruit op een picknick, dus zwaai je met je hand over het insect en je jaagt het weg. Maar als de fruitvlieg vlucht, doet ze dat dan omdat ze echt bang is? Uit een nieuwe studie van Caltech, waarbij fruitvliegen gebruikt worden om de basiscomponenten van emoties te bestuderen, blijkt dat de reactie van de vlieg op een schaduw die over haar valt, analoog kan zijn aan een negatieve emotionele toestand zoals angst. Die bevinding kan leiden tot een beter begrip van het netwerk van zenuwen dat betrokken is bij menselijke emoties.
EYE OF SCIENCE/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Insecten zijn een belangrijk model voor de studie van emoties: hoewel muizen dichter bij de mens staan in de evolutionaire stamboom, hebben fruitvliegen een veel eenvoudiger neurologisch systeem, dat makkelijker te bestuderen is. 

Emoties bestuderen bij insecten of andere dieren, kan echter verraderlijk zijn: aangezien de onderzoekers vertrouwd zijn met menselijke emoties, kunnen ze de neiging hebben om de "emoties" van een insect te antropomorfiseren, te vermenselijken, net zoals mensen zullen denken dat de vlieg op de picknick weggevlogen is omdat ze bang is van je hand.

Maar er zijn verschillende problemen met een dergelijke veronderstelling, zegt William T. Gibson, de belangrijkste auteur van de studie, op de site van Caltech. "Er zijn twee moeilijkheden,  wanneer je vertrekt vanuit je eigen ervaringen en dan zegt dat die misschien ook plaatsvinden bij een vlieg. Ten eerste is het brein van een vlieg zeer verschillend van jouw brein, en ten tweede is de evolutionaire geschiedenis van een vlieg zo verschillend van de jouwe, dat, zelfs als je zonder enige twijfel zou kunnen bewijzen dat vliegen emoties hebben, die emoties waarschijnlijk niet dezelfde zouden zijn als de emoties die jij hebt. Daarom wilden we in onze studie een objectieve benadering nastreven."

"Emotion primitives"

Om de zaak objectief te benaderen, haalden Gibson en David Anderson, een professor biologie en het hoofd van het laboratorium waar het onderzoek plaatsvond, het begrip emotie uit elkaar in fundamentele bouwstenen. Die noemen ze "emotion primitives", een concept dat eerder uitgedacht was door Anderson en Ralph Adolphs, een professor psychologie, neurologie en biologie. 

"Er is al tientallen jaren een debat aan de gang over wat emotie precies inhoudt, en er is geen algemeen aanvaarde definitie. In een artikel dat Ralph Adolphs en ik onlangs geschreven hebben, poneren we de stelling dat emoties een soort van innerlijke toestand van het brein zijn met bepaalde algemene eigenschappen, en dat die eigenschappen ook kunnen bestaan onafhankelijk van subjectieve, bewuste gevoelens, die alleen bestudeerd kunnen worden bij mensen", zegt Anderson op de website van Caltech.

"Dat betekent dat we deze toestand van het brein kunnen bestuderen in diermodellen zoals vliegen of muizen, zonder dat we ons zorgen moeten maken over de vraag of die "gevoelens" hebben of niet. We gebruiken de gedragingen die een uitdrukking vormen van die toestand, als een aanwijzing."

Emoties kunnen volgens Gibson uitgesplitst worden in deze emotion primitives, net zoals een secundaire kleur als oranje ontbonden kan worden in twee primaire kleuren, geel en rood. "En als we kunnen aantonen dat fruitvliegen al deze aparte maar noodzakelijke primitives vertonen, dan kunnen we argumenteren dat ze ook een emotie kennen, zoals angst", zegt Gibson.

AP2014

Persistentie

De emotion primitives die geanalyseerd worden in de studie, kunnen begrepen worden in de context van een stimulus die geassocieerd wordt met angst bij mensen: de klank van een geweerschot. Als je een geweerschot hoort, kan die klank een negatief gevoel uitlokken. Dat gevoel, een primitive die "valentie" - bindingskracht - genoemd wordt, zal er waarschijnlijk voor zorgen dat je je anders gedraagt gedurende enkele minuten na het geweerschot. Dat is een primitive die "persistentie" - nawerking - genoemd wordt. Herhaalde blootstelling aan de stimulus zou moeten leiden tot een grotere emotionele reactie, als je tien geweerschoten hoort, zou je banger moeten worden dan bij één geweerschot, een primitive die "schaalbaarheid" genoemd wordt.

Een andere primitive van angst is dat ze zich verspreidt in verschillende contexten, als je bijvoorbeeld aan het eten was toen je een geweerschot hoorde, zal de angst de bovenhand halen en je afleiden van je eten. Dat wordt "context generalisatie" genoemd. "Trans-situationalisme" ten slotte is de laatste primitive die verbonden is met angst. Het is het feit dat dezelfde angstige reactie veroorzaakt kan worden door een andere, niet-verwante stimulus, bijvoorbeeld het knallen van een automotor die een terugslag heeft.

Donkere spaan

De onderzoekers bestudeerden die vijf primitives door de insecten te observeren terwijl ze blootgesteld werden aan een angstaanjagende stimulus. Omdat defensieve gedragingen als reactie op een visuele bedreiging van bovenuit, vaak voorkomen bij veel dieren, ontwierpen de onderzoekers een apparaat waarin een donkere spaan over de leefruimte van de vliegen scheerde. De bewegingen van de vliegen werden dan gevolgd met een software-programma.

De onderzoekers analyseerden de reacties van de fruitvliegen op de stimulus, en ontdekten dat de insecten al de emotion primitives vertoonden. Zo waren de reacties bijvoorbeeld schaalbaar: als de spaan over hen passeerde, verstarden de vliegen, of ze sprongen weg van de stimulus of ze gingen in een toestand van verhoogde opwinding, en die reacties werden sterker naarmate de stimulus meer toegediend werd. En als de vliegen aan het eten waren, zorgde de stimulus er voor dat ze hun eten seconden lang lieten staan, en rond liepen tot hun opwinding afnam. Daarna keerden ze terug naar hun eten, waarbij ze de primitives context generalisatie en persistentie vertoonden.

De proefopstelling met bovenaan de donkere spaan die over de fruitvliegen scheert (William T. Gibson/Caltech).

Vermijdingsreflex

"Deze experimenten bieden objectief bewijs dat visuele stimuli die ontworpen zijn om een overvliegend roofdier na te bootsten, een persistente en schaalbare inwendige toestand van defensieve opwinding teweeg kunnen brengen bij fruitvliegen, die hun gedrag nog minuten lang kan beïnvloeden na het overtrekken van de bedreiging", zegt Anderson.

"Voor ons is dit een grote stap verder dan louter intuïtief aan te voelen dat een vlieg die vlucht voor een visuele bedreiging, angst moet voelen. Het wijst erop dat de reactie van de vlieg op de bedreiging rijker en meer gecompliceerd is dan een robotachtige vermijdingsreflex."

Geen bewijs

In de toekomst willen de onderzoekers de nieuwe techniek combineren met technieken die op genetica gebaseerd zijn, en met een scan van de hersenactiviteit om de zenuwbanen te identificeren die aan de basis liggen van dit defensieve gedrag. Hun uiteindelijk doel is om bepaalde groepen van neuronen te identificeren in het brein van de fruitvlieg die nodig zijn voor de emotion primitives, en dan te kijken of die functies behouden zijn gebleven in hogere organismen, zoals muizen of zelfs mensen.

Hoewel de aanwezigheid van die primitives er op wijst dat de vliegen mogelijk reageren op de stimulus op basis van een soort van emotie, wijzen de onderzoekers er nadrukkelijk op dat deze nieuwe informatie niet bewijst dat vliegen angst kunnen voelen, of blijdschap, of boosheid of om het even welk ander gevoel. En het was ook niet de bedoeling van het onderzoek om dat al dan niet vast te stellen. 

"Ons werk kan vragen ophelderen over mechanismen en vragen over de functionele eigenschappen van emotionele toestanden, maar we kunnen de vraag niet beantwoorden of vliegen al dan niet gevoelens hebben", zegt Gibson.

De studie van Gibson en zijn collega's is gepubliceerd in "Current Biology".