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Rapid Odor Processing in the Honeybee Antennal Lobe Network
In their natural environment, many insects need to identify and evaluate behaviorally relevant odorants on a rich and dynamic olfactory background. Behavioral studies have demonstrated that bees recognize learned odors within <200âms, indicating a rapid processing of olfactory input in the sensory pathway. We studied the role of the honeybee antennal lobe network in constructing a fast and reliable code of odor identity using in vivo intracellular recordings of individual projection neurons (PNs) and local interneurons (LNs). We found a complementary ensemble code where odor identity is encoded in the spatio-temporal pattern of response latencies as well as in the pattern of activated and inactivated PN firing. This coding scheme rapidly reaches a stable representation within 50â150âms after stimulus onset. Testing an odor mixture versus its individual compounds revealed different representations in the two morphologically distinct types of lateral- and median PNs (l- and m-PNs). Individual m-PNs mixture responses were dominated by the most effective compound (elemental representation) whereas l-PNs showed suppressed responses to the mixture but not to its individual compounds (synthetic representation). The onset of inhibition in the membrane potential of l-PNs coincided with the responses of putative inhibitory interneurons that responded significantly faster than PNs. Taken together, our results suggest that processing within the LN network of the AL is an essential component of constructing the antennal lobe population code
3-D Anatomie, Physiologie und PlastizitÀt
Titelblatt
Inhaltsverzeichnis und Einleitung
Kapitel 1
Kapitel 2
Kapitel 3
Diskussion
Zusammenfassung englisch
Zusammenfassung
Danksagung
LiteraturverzeichnisIn this thesis I investigated anatomical and functional principles of odor
encoding in projection neurons underlying olfactory learning and olfactory-
guided behaviors in the honeybee. To this purpose, I performed
electrophysiological recordings of projection neuron odor responses.
Furthermore, I developed new techniques to compose single projection neurons
labeled in separate specimens within one common framework, the Atlas of the
Honeybee Brain . In relation to olfactory-guided behaviors of the honeybee I
examined the differences of elemental structures within the microcircuitry of
the projection neuron output region in groups of animals which had experienced
different odors in a particular behavioral context. The results of my thesis
reveal important aspects of functional and anatomical features underlying
olfactory learning and olfactory-guided behaviors. Chapter I: A standard Atlas
of the Honeybee Brain was created as an average-shape calculated from 20
individual immunostained whole-mount bee brains. After correction for global
size and positioning local differences by repeatedly applying an intensity-
based nonrigid registration algorithm were adjusted and a sequence of average
label images was created. The results were qualitatively evaluated by
generating average gray-value images corresponding to the average label images
and judging the level of detail within the labeled regions. Registering
neurons from different preparations into the standard atlas reveal their
anatomical features which allow to draw conclusions about the connectivity
within the entire network of the honeybee brain. Thus the standard atlas and
the procedures applied for registration serve the function of creating
realistic neuroanatomical models of parts of a neural net. Chapter II: Since
the honeybee exhibits an elaborate behavior associated with the perception of
complex natural stimuli, the representation of odor mixtures in relation to
neuronal morphology within its brain was studied. To understand mixture
representation within the honeybee brain electrophysiological recordings of
single olfactory interneurons within the first-order relay station of the
olfactory pathway, the antennal lobe were performed. The results of this study
show that antennal lobe output neurons of the lateral antenno-cerebral tract
(lACTs) convey odor mixture information onto the second-order relay station of
the olfactory pathway, the mushroom bodies whereas antennal lobe output
neurons of the median antenno-cerebral tract (mACTs) transfer odor identity
information. The 3-D composition of single l-, and mACTs within a spatial
reference map, the Atlas of the Honeybee Brain , reveal their uniglomerular
input functionally represented by glomerulus-specific olfactory response. The
spatial distribution of their axon terminals (boutons) within their output
region, the mushroom body lips appears largely segregated between l- and mACTs
and density-dependent among the mACTs. Thus the results of this study show
that glomerulus-specific input within the antennal lobe is either represented
by an area-dependent (lACTs) or a density-dependent (mACTs) bouton topography
within the mushroom body lips. Chapter III: Worker honeybees proceed through a
sequence of tasks, passing from hive and guard duties to foraging activities.
However, the underlying neuronal changes mediating these behavioral
transitions are not yet understood. Previous studies have shown that the
mushroom bodies (MB), a brain region involved in sensory integration, learning
and memory, undergo a volumetric expansion throughout adult life. This study
was designed to reveal the mechanisms underlying MB structural changes by
investigating age-, task- , and experience-dependent structural plasticity of
microglomerular complexes in the lips of the MB, which exclusively process
olfactory information. By applying simultaneous labeling of presynaptic
olfactory projection neuron boutons and postsynaptic Kenyon cell spines
microglomerular complexes (MC) could be visualized and analyzed with 3-D
stereological techniques. The results of this study reveal that continuity of
developmental and behavioral maturation leads to structural plasticity
expressed as an increase in MB lip volume, MC number and bouton size.
Manipulations of age-related sensory perception induce degrading compensatory
structural plasticity effects represented by a decrease in MC number and an
increase in bouton size.In der vorliegenden Dissertation habe ich funktionelle und morphologische
Eigenschaften olfaktorischer Projektionsneurone der Honigbiene Apis mellifera
untersucht. Zu diesem Zweck habe ich individuelle Projektionsneurone
intrazellulÀr abgeleitet und ihre Duftantworten auf Einzelkomponenten- sowie
MultikomponentendĂŒfte gemessen. Um sie morphologisch charakterisieren zu
können habe ich sie intrazellulÀr gefÀrbt und eine Methode entwickelt sie in
ein allgemeingĂŒltiges 3-D Referenzsystem, den Atlas des Honigbienengehirns ,
zu integrieren. Im Bezug zu dem geruchsorientierten Verhalten der Honigbiene
habe ich elementare Strukturen eines definierten Netzwerkes im Ausgangsbereich
der Projektionsneurone identifiziert und diese in Honigbienen
unterschiedlicher Alters- und Erfahrungsstadien miteinander verglichen. Die
Ergebnisse meiner Dissertation zeigen, dass Dufteigenschaften durch
verschiedene Kanšale kodiert werden, was sich in ihrer neuronalen Morphologie
widerspiegelt. Diese Morphologischen Eigenschaften stehen im Einklang mit dem
komplexen Verhalten der Honigbiene und unterliegen alters- und
geruchsabhÀngigen plastischen VerÀnderungen. Kapitel I: Es wurde ein
populations-basierter Standard Atlas des Honigbienengehirns entwickelt. Der
Atlas wurde aus 20 individuellen Bienengehirnen berechnet und ein Mittelwert
generiert. Grauwertbilder wurden in so genannte Label -Bilder umgewandelt in
denen jeder Voxel einer anatomischen Identifikation entspricht. Basierend auf
diesen Labelbildern wurden rigide Transformationen angewandt um globale
GröĂenunterschiede zu korrigieren. Iterative elastische Transformationen
wurden berechnet, um lokale Unterschiede anzupassen und einen Mittelwert zu
berechnen. Die Ergebnisse dieser Berechnungen wurden quantitativ evaluiert,
indem ein gemitteltes Grauwertbild mit dem gemittelten Labelbild verglichen
wurde. Durch die Registrierung von Einzelneuronen in den Atlas können
anatomische Eigenschaften dreidimensional analysiert und in Bezug zum gesamten
Netzwerk gesetzt werden. Kapitel II: Um die physiologischen und anatomischen
Eigenschaften von Projektionsneuronen des Honigbienengehirns zu analysieren
wurden elektrophysiologische Messungen durchgefĂŒhrt. Die neuronalen Antworten
individueller Projektionsneurone auf EinzeldĂŒfte und Mixturen wurde gemessen
und in Bezug zu ihren morphologischen Eigenschaften gesetzt. Das
Honigbienengehirn zeichnet sich dadurch aus, dass Projektionsneurone zweier
parallel verlaufenden Trakte (der laterale und der mediane antennozerebrale
Trakt, l- und mACT) Geruchsinformationen vom primÀren zum sekundÀren
Verarbeitungszentrum des olfaktorischen Systems weiterleiten. Die
Kodierungsstrategien der l- und mACT Projektionsneurone wurden bezĂŒglich ihrer
Anatomie untersucht und in ein Referenzsystem, dem Atlas des
Honigbienengehirns integriert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich l- und mACT
Projektionsneurone hinsichtlich ihrer Geruchskodierungsmechanismen sowie ihrer
Anatomie unterscheiden. Sie weisen eine duale Kodierungsstrategie auf, in der
lACT Projektionsneurone DuftkomplexitÀt kodieren, wÀhrend mACT
Projektionsneurone Informationen ĂŒber die DuftidentitĂ€t extrahieren und
weiterleiten. Diese Strategie spiegelt sich in den Verzweigungsmustern ihrer
Axonendigungen (Boutons) im sekundÀren Verarbeitungszentrum wider, was darauf
schlieĂen lĂ€sst, dass sie duftspezifische Informationen an festgelegte Klassen
von postsynaptischen Neuronen weitergeben. Kapitel III: Adulte Honigbienen
zeichnen sich durch ein komplexes Verhalten mit festgelegter Arbeitsteilung
aus. WĂ€hrend ihres Lebens durchlaufen sie eine Vielzahl von alters- und
erfahrungsabhĂ€ngigen Verhaltensmustern, die den Ăbergang vom Leben im Stock zu
den SammlertÀtigkeiten determinieren. Jedoch sind die neuronalen
VerÀnderungen, die mit den verschiedenen Verhaltensmustern einhergehen,
gÀnzlich unbekannt. In dieser Studie wurden Bereiche der sekundÀren
Verarbeitungszentren des olfaktorischen Systems der Honigbiene auf plastische
VerÀnderungen untersucht. Axonendigungen der Projektionsneurone verzweigen in
einem Bereich des sekundÀren Verarbeitungszentrums, welches als Lippenregion
bezeichnet wird. Dort weisen sie synaptische Kontakte zu den so genannten
Kenyon Zellen auf und bilden MikroglomerulÀre Komplexe (MC). Diese Komplexe
werden reprÀsentiert durch prÀsynaptische Boutons und postsynaptische Spines
der Kenyon Zellen. Es wurden Methoden entwickelt, um diese MC quantitativ und
qualitativ dreidimensional zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie zeigen,
dass sich MC-Anzahl und Boutonvolumen plastisch verÀndert sobald die Tiere
keine altersgerechte olfaktorische Stimulation erfahren. Die Abnahme der MC
wird kompensiert durch eine Zunahme des Boutonvolumens, was darauf schlieĂen
lÀsst, dass die Projektionsneurone ihre Verzweigungsmuster Àndern und ihre
synaptische Wirksamkeit verstĂ€rken. ZukĂŒnftige Studien werden diese
strukturelle PlastizitÀt hinsichtlich der neuronalen Physiologie untersuchen
Rapid odor processing in the honeybee antennal lobe network
In their natural environment, many insects need to identify and evaluate behaviorally relevant odorants on a rich and dynamic olfactory background. Behavioral studies have demonstrated that bees recognize learned odors within less than 200ms, indicating a rapid processing of olfactory input in the sensory pathway. We studied the role of the honeybee antennal lobe network in constructing a fast and reliable code of odor identity using in vivo intracellular recordings of individual projection neurons (PNs) and local interneurons (LNs). We found a complementary ensemble code where odor identity is encoded in the spatio-temporal pattern of response latencies as well as in the pattern of activated and inactivated PN firing. This coding scheme rapidly reaches a stable representation within 50-150ms after stimulus onset. Testing an odor mixture versus its individual compounds revealed different representations in the two morphologically distinct types of lateral and median (l- and m-) PNs. Individual m-PNs mixture responses were dominated by the most effective compound (elemental representation) whereas l-PNs showed suppressed responses to the mixture but not to its individual compounds (synthetic representation). The onset of inhibition in the membrane potential of l-PNs coincided with the responses of putative inhibitory interneurons that responded significantly faster than PNs. Taken together, our results suggest that processing within the local interneuron network of the AL is an essential component of constructing the antennal lobe population code
Pipeline for the Creation of Surface-based Averaged Brain Atlases
Digital atlases of the brain serve as a spatial reference frame which can be used to relate data from different
image modalities and experiments. In this paper we describe a standardized pipeline for the creation of extendable
surface-based anatomical insect brain atlases from 3D image data of a population of individuals. The pipeline
consists of the major steps imaging and preprocessing, segmentation, averaging, surface reconstruction, and surface
simplification. At first, 3D image data sets from confocal microscopy are resized, stitched, and initially displayed
using standard image processing and visualization tools. Then brain structures, such as neuropils and neurons, are
labeled by means of manual segmentation and line extraction algorithms. The averaging step comprises affine and
elastic registration and a mean shape selection strategy. Finally non-manifold surfaces of the labeled and aligned
structures are reconstructed using a generalized surface reconstruction algorithm. These surfaces are simplified
and adapted to further needs by decimation and retriangulation. The chosen methods of each step are adequate for
a variety of data. We propose an iterative application of the pipeline in order to build the atlas in a hierarchical
fashion, integrating successively more levels of detail. The approach is applied in several different neurobiological
research fields