Vluchtroutegegevens laten zien hoe muggen zich op mensen richten

Besmettelijke ziekten overgedragen door muggen, zoals malariaknokkelkoorts en zikakoorts – eisen elk jaar wereldwijd meer dan 770.000 levens. Begrijpen hoe muggen Het vinden van mensen is lange tijd een uitdaging geweest bij het beheersen van de verspreiding van deze ziekten. Er is echter weinig bekend over hoe muggen meerdere signalen, waaronder visuele informatie en koolstofdioxide, integreren om hun doelwitten te benaderen.

In deze context heeft een onderzoeksteam geleid door het Georgia Institute of Technology en het Massachusetts Institute of Technology is erin geslaagd het automatisch afleiden van een dynamisch model dat de muggenvlucht regelt door Bayesiaanse inferentie-statistische methoden toe te passen op een enorme hoeveelheid gegevens die muggenbewegingen registreren.

Bayesiaanse inferentie is een statistische techniek die op probabilistische wijze de meest plausibele modelparameters uit waargenomen gegevens bepaalt. Met behulp van deze methode konden de onderzoekers een wiskundig model construeren dat experimentele resultaten met hoge nauwkeurigheid kon reproduceren, terwijl het muggengedrag werd gecomprimeerd tot minder dan 30 parameters.

“De grote vraag was: hoe vinden muggen een menselijk doelwit?” legt uit Cheng-Yi Fei, een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT. “Er waren eerdere experimentele onderzoeken naar wat voor soort signalen belangrijk zouden kunnen zijn, maar niets was bijzonder kwantitatief.”

Muggen hebben twee vluchtmodi

Het onderzoeksteam heeft twee vrouwtjes vrijgelaten Aedes aegypti muggen naar een afgesloten experimentele ruimte en registreerden hun vliegroutes in stappen van 0,01 seconde met behulp van twee infraroodcamera’s. De gegevens verkregen uit in totaal twintig experimenten overschrijden de 53 miljoen punten, met meer dan 400.000 geregistreerde vliegroutes. Dit vertegenwoordigt de grootste dataset die ooit is verzameld voor een onderzoek waarin de muggenvlucht kwantitatief wordt gemeten.

Het experiment begon met het fotograferen van muggen die rond menselijke proefpersonen vlogen, die donkergekleurde kleding droegen. Deze waarneming bracht dat aan het licht Aedes aegypti muggen concentreerden hun aanpak op menselijke hoofden. Dit was een fundamentele ontdekking die als uitgangspunt voor het hele onderzoek diende.

Vervolgens experimenteerden de onderzoekers met proefpersonen die aan de ene kant in het zwart en aan de andere kant in het wit gekleed waren. Ze ontdekten dat hoewel koolstofdioxide en lichaamsgeur aan beide kanten van het lichaam gelijk werden uitgestoten, de vliegbanen van de muggen alleen aan de zwarte kant waren geconcentreerd. Hoewel op het eerste gezicht vreemd, toonde dit resultaat levendig aan dat visuele stimuli een belangrijke rol spelen bij het zoeken naar doelen in een windstille omgeving.

Bovendien bleek uit een gedetailleerde analyse van muggen die in een omgeving zonder stimulerende middelen vlogen dat hun vluchtpatronen grofweg in twee typen konden worden ingedeeld. Eén daarvan was de actieve toestand, waarin ze actief de ruimte verkenden met een snelheid van ongeveer 0,7 meter per seconde. De andere was de inactieve toestand, waarin ze vrijwel zonder stuwkracht vlogen. Aangenomen wordt dat de inactieve toestand een voorbereidingsfase is voor de landing en werd vaker waargenomen nabij het plafond van de experimentele ruimte.

Uit analyse van de reacties van muggen op visuele stimuli bleek dat muggen zich aangetrokken voelen tot donkere voorwerpen en langzamer gaan bewegen als ze binnen een straal van ongeveer 40 centimeter komen. Zonder extra signalen zoals lichaamsgeur, vochtigheid of hitte vlogen muggen echter vaak weg, zelfs nadat ze hun doelwit hadden benaderd. Dit suggereert dat visuele stimuli alleen onvoldoende zijn om landen en bloedzuigen te veroorzaken.

De reactie op kooldioxidebronnen was geheel anders. Muggen die binnen een straal van ongeveer 40 centimeter van de kooldioxidebron binnenkwamen, vertraagden plotseling tot 0,2 m/s en begonnen onregelmatig te vliegen, zwaaiend zonder een duidelijke richting. Numerieke simulaties toonden ook aan dat muggen kooldioxideconcentraties van slechts 0,1 procent kunnen detecteren en dat hun detectiebereik zich uitstrekt tot ongeveer 50 centimeter van de bron.

Bovendien veranderde de reactie van de mug nog dramatischer wanneer visuele stimuli en koolstofdioxide tegelijkertijd werden gepresenteerd. De muggen begonnen rond het doelwit te cirkelen, en aanzienlijk meer muggen concentreerden zich in de buurt van het doelwit dan wanneer beide stimuli afzonderlijk werden gebruikt.