Moose, ein Mischlingshund der Nebraska Humane Society, trainiert in der Geruchserkennung. Bill Cotton / CSU, CC BY-ND

Anmerkung des Herausgebers: Da sich COVID-19 weltweit weiter verbreitet hat, analysieren Wissenschaftler neue Wege, um dies zu verfolgen. Ein vielversprechender Ansatz ist Training von Hunden, um infizierte Personen zu erkennen durch Riechen von Proben von menschlichem Urin oder Schweiß. Der Forscher Glen Golden, der Hunde und Frettchen ausgebildet hat, um die Vogelgrippe bei Vögeln zu erkennen, erklärt, warum bestimmte Tiere gut geeignet sind, um Krankheiten auszuspüren.

1. Welche Arten haben eine Nase für Krankheiten?

Einige Tiere haben einen hoch entwickelten Geruchssinn. Dazu gehören Nagetiere; Hunde und ihre wilden Verwandten wie Wölfe und Kojoten; und Mustelids - fleischfressende Säugetiere wie Wiesel, Otter und Frettchen. Das Gehirn dieser Spezies hat drei- oder mehrmal mehr funktionelle olfaktorische Rezeptorneuronen - Nervenzellen, die auf Gerüche reagieren - als Spezies mit weniger ausgeprägten Geruchsfähigkeiten, einschließlich Menschen und anderer Primaten.

Diese Neuronen sind dafür verantwortlich, flüchtige Geruchsverbindungen zu erkennen und zu identifizieren, die aussagekräftige Signale senden, wie Rauch von einem Feuer oder das Aroma von frischem Fleisch. Eine Substanz ist flüchtig, wenn sie bei niedrigen Temperaturen leicht von flüssig zu gasförmig wechselt, wie das Aceton, das dem Nagellackentferner seinen fruchtigen Geruch verleiht. Sobald es verdampft, kann es sich schnell in der Luft ausbreiten.

Wenn eines dieser Tiere einen bedeutenden Geruch wahrnimmt, wird das chemische Signal in Nachrichten umgewandelt und durch das Gehirn transportiert. Die Nachrichten gehen gleichzeitig an den olfaktorischen Kortex, der für die Identifizierung, Lokalisierung und Erinnerung an Gerüche verantwortlich ist, sowie an andere Gehirnregionen, die für die Entscheidungsfindung und Emotion verantwortlich sind. So können diese Tiere viele chemische Signale über große Entfernungen erfassen und schnelle und genaue mentale Assoziationen über sie herstellen.

2. Wie wählen Forscher einen Zielduft aus?

In den meisten Studien, in denen Hunde zur Erkennung von Krebs eingesetzt wurden, haben die Hunde physische Proben wie Haut, Urin oder Atem von Patienten identifiziert, bei denen entweder Krebs diagnostiziert wurde oder bei denen Krebs aufgetreten ist nicht diagnostizierter Krebs in einem frühen Stadium. Wissenschaftler wissen nicht, welchen Geruch die Hunde verwenden oder ob er je nach Krebsart variiert.

Das US-Landwirtschaftsministerium Nationales Wildtierforschungszentrum in Colorado und der Monell Chemical Senses Center in Pennsylvania haben Mäuse trainiert, um zu erkennen Aviäre Influenza in Stuhlproben von infizierten Enten. Vogelgrippe ist in wilden Herden schwer zu erkennen, und es kann sich auf Menschen ausbreitenDaher soll diese Arbeit Wildbiologen dabei helfen, Ausbrüche zu überwachen.

Das Kimball-Labor in Monell brachte den Mäusen bei, eine Belohnung zu erhalten, wenn sie eine bestätigte positive Probe von einem infizierten Tier rochen. Zum Beispiel bekamen Mäuse einen Schluck Wasser, wenn sie den Arm eines Y-förmigen Labyrinths hinuntergingen, das Kot einer mit dem Aviären Influenzavirus infizierten Ente enthielt.

Bei der chemischen Analyse der Stuhlproben stellten die Forscher fest, dass sich die Konzentration flüchtiger chemischer Verbindungen in ihnen änderte, als eine Ente mit der Vogelgrippe infiziert wurde. Sie folgerten daraus, dass dieses veränderte Geruchsprofil das war, was die Mäuse erkannten.

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Mitglieder der Mustelid-Familie wie Frettchen, Dachs und Otter haben einen hoch entwickelten Geruchssinn. Hier schnüffelt ein Vielfraß gefrorenes Fleisch, das tief im Schnee vergraben ist.

Aufbauend auf dieser Arbeit haben wir in einer gemeinsamen Studie zwischen der Colorado State University und dem National Wildlife Research Center, die derzeit zur Veröffentlichung geprüft wird, Frettchen und Hunde geschult, um die Geflügelpest bei Geflügel wie Wildenten und Haushühnern zu erkennen.

Bei Frettchen trainierten wir sie zunächst, um sie zu alarmieren oder zu signalisieren, dass sie den Zielgeruch erkannt hatten, indem wir an einer Box kratzten, die hohe Verhältnisse dieser flüchtigen Verbindungen enthielt, und Boxen ignorierten, die niedrige Verhältnisse enthielten. Als nächstes zeigten wir die Kotproben von Frettchen sowohl von infizierten als auch von nicht infizierten Enten, und die Frettchen begannen sofort, auf die Schachtel aufmerksam zu machen, die die Kotprobe einer infizierten Ente enthielt.

Dieser Ansatz ähnelt der Art und Weise, wie Hunde darauf trainiert werden, bekannte flüchtige Gerüche in Sprengstoffen oder illegalen Drogen zu erkennen. Manchmal müssen wir jedoch das Detektortier das Geruchsprofil bestimmen lassen, auf das es reagiert.

3. Können Tiere darauf trainiert werden, mehr als ein Ziel zu erkennen?

Ja. Um Verwirrung darüber zu vermeiden, was ein trainiertes Tier erkennt, können wir ihm für jeden Zielgeruch eine andere Verhaltensreaktion beibringen.

Zum Beispiel die Hunde im US-Landwirtschaftsministerium Wildlife Services Programm zur Erkennung von Hundekrankheiten Reagieren Sie mit einem aggressiven Alarm wie Kratzen, wenn Sie eine Probe einer mit Vogelgrippe infizierten Ente entdecken. Wenn sie eine Probe von einem Weißwedelhirsch entdecken, der mit dem Prion infiziert ist, das sie verursacht chronisch verzehrende Krankheitreagieren sie mit einem passiven Alarm wie Sitzen.

Untersuchungen an der Universität von Auburn haben gezeigt, dass Hunde sich erinnern und darauf reagieren können 72 Gerüche während einer Geruchsgedächtnisaufgabe. Die einzige Einschränkung besteht darin, auf wie viele Arten ein Hund über verschiedene Geruchsmerkmale kommunizieren kann.

Ein Schild weist Reisende auf eine Pilotstudie am Flughafen Helsinki hin, die kostenlose Coronavirus-Tests mit Hunden zur Erkennung von Geruchsinfektionen anbietet. Shoja Lak / Getty Images

4. Welche Faktoren können diesen Prozess erschweren?

Erstens benötigt jede Organisation, die Tiere zum Erkennen von Krankheiten schult, die richtige Art von Labor und Ausrüstung. Dies kann je nach Krankheit persönliche Schutzausrüstung und Luftfilterung umfassen.

Ein weiteres Problem ist, ob der Erreger die Detektionstiere infizieren könnte. Wenn dies ein Risiko darstellt, müssen Forscher die Proben möglicherweise inaktivieren, bevor sie die Tiere aussetzen. Dann müssen sie sehen, ob dieser Prozess die flüchtigen Bestandteile verändert hat, die sie den Tieren beibringen, mit Infektionen in Verbindung zu treten.

Schließlich müssen die Handler darüber nachdenken, wie sie die gewünschte Reaktion von Detektionstieren auf dem Feld verstärken können. Wenn sie in einer Population von meist nicht infizierten Menschen arbeiten - zum Beispiel auf einem Flughafen - und ein Tier keine Chance hat, eine Belohnung zu verdienen, kann es das Interesse verlieren und aufhören zu arbeiten. Wir suchen nach Tieren, die einen starken Drang haben, ohne anzuhalten zu arbeiten, aber lange Zeit ohne Belohnung zu arbeiten, kann selbst für das motivierteste Tier eine Herausforderung sein.

5. Warum nicht eine Maschine bauen, die das kann?

Im Moment haben wir keine Geräte, die so empfindlich sind wie Tiere mit gut entwickelten Geruchssinnen. Zum Beispiel ist der Geruchssinn eines Hundes mindestens 1,000-mal empfindlicher als jedes mechanische Gerät. Dies könnte erklären, warum Hunde Krebs in Gewebeproben entdeckt haben medizinisch als nicht krebsartig geklärt

Wir wissen auch, dass Frettchen eine Vogelgrippeinfektion in Stuhlproben erkennen können, bevor und nachdem die Laboranalyse zeigt, dass das Virus nicht mehr ausgeschieden ist. Dies deutet darauf hin, dass es bei einigen Krankheitserregern bei infizierten, aber asymptomatischen Personen zu Veränderungen der flüchtigen Bestandteile kommen kann.

Wenn Wissenschaftler mehr darüber erfahren, wie der Geruchssinn von Säugetieren funktioniert, haben sie eine bessere Chance, Geräte zu entwickeln, die beim Aufspüren von Krankheiten ebenso empfindlich und zuverlässig sind.

Über den Autor

Glen J. Golden, Forschungswissenschaftler / Gelehrter I, Colorado State University

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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