Potency of transgenic effectors for neurogenetic manipulation in Drosophila larvae

Genetic manipulations of neuronal activity are a cornerstone of studies aimed to identify the functional impact of defined neurons for animal behavior. With its small nervous system, rapid life cycle, and genetic amenability, the fruit fly Drosophila melanogaster provides an attractive model system to study neuronal circuit function. In the past two decades, a large repertoire of elegant genetic tools has been developed to manipulate and study neural circuits in the fruit fly. Current techniques allow genetic ablation, constitutive silencing, or hyperactivation of neuronal activity and also include conditional thermogenetic or optogenetic activation or inhibition. As for all genetic techniques, the choice of the proper transgenic tool is essential for behavioral studies. Potency and impact of effectors may vary in distinct neuron types or distinct types of behavior. We here systematically test genetic effectors for their potency to alter the behavior of Drosophila larvae, using two distinct behavioral paradigms: general locomotor activity and directed, visually guided navigation. Our results show largely similar but not equal effects with different effector lines in both assays. Interestingly, differences in the magnitude of induced behavioral alterations between different effector lines remain largely consistent between the two behavioral assays. The observed potencies of the effector lines in aminergic and cholinergic neurons assessed here may help researchers to choose the best-suited genetic tools to dissect neuronal networks underlying the behavior of larval fruit flies

Funktionelle Analyse einer Rückkopplungsschleife innerhalb der Pilzkörper von Drosophila Larven

Behavioral adaptation to environmental changes is crucial for animals’ survival. The prediction of the outcome of one owns action, like finding reward or avoiding punishment, requires recollection of past experiences and comparison with current situation, and adjustment of behavioral responses. The process of memory acquisition is called learning, and the Drosophila larva came up to be an excellent model organism for studying the neural mechanisms of memory formation. In Drosophila, associative memories are formed, stored and expressed in the mushroom bodies. In the last years, great progress has been made in uncovering the anatomical architecture of these brain structures, however there is still a lack of knowledge about the functional connectivity. Dopamine plays essential roles in learning processes, as dopaminergic neurons mediate information about the presence of rewarding and punishing stimuli to the mushroom bodies. In the following work, the function of a newly identified anatomical connection from the mushroom bodies to rewarding dopaminergic neurons was dissected. A recurrent feedback signaling within the neuronal network was analyzed by simultaneous genetic manipulation of the mushroom body Kenyon cells and dopaminergic neurons from the primary protocerebral anterior (pPAM) cluster, and learning assays were performed in order to unravel the impact of the Kenyon cells-to-pPAM neurons feedback loop on larval memory formation. In a substitution learning assay, simultaneous odor exposure paired with optogenetic activation of Kenyon cells in fruit fly larvae in absence of a rewarding stimulus resulted in formation of an appetitive memory, whereas no learning behavior was observed when pPAM neurons were ablated in addition to the KC activation. I argue that the activation of Kenyon cells may induce an internal signal that mimics reward exposure by feedback activation of the rewarding dopaminergic neurons. My data further suggests that the Kenyon cells-to-pPAM communication relies on peptidergic signaling via short neuropeptide F and underlies memory stabilization.Eine Anpassung des eigenen Verhaltens an Veränderungen der Umwelt ist unerlässlich für das Überleben der Tiere. Vorhersage über die Konsequenzen der eigenen Handlungen, z.B. belohnt oder bestraft zu werden, erfordert den Vergleich von gemachten Erfahrungen und der aktuellen Situation. Eine solche Vorhersage kann zu einer Verhaltensanpassung führen. Der Prozess der Gedächtnisbildung ist auch bekannt als Lernen. Als hervorragender Modellorganismus zum Erforschen der Lernverhaltensmechanismen hat sich die Drosophila Larve etabliert. In Drosophila werden olfaktorische Gedächtnisse in einer bilateralen Struktur des Protozerebrums gespeichert, den Pilzkörpern. In den letzten Jahren sind erhebliche Fortschritte in der Beschreibung der anatomischen Strukturen der Pilzkörper gemacht worden. Allerdings ist die funktionelle Konnektivität dieser Gehirnstrukturen noch unzureichend verstanden. Dopamin spielt eine essentielle Rolle in Lernprozessen. Dopaminerge Neurone vermitteln Informationen über das Vorliegen belohnender oder bestrafender Stimuli. Die Funktion einer vor kurzem beschriebenen anatomischen Verbindung von den Pilzkörpern zu belohnenden dopaminergen pPAM Neuronen wurde in der folgenden Arbeit untersucht, und der rückläufige Signalweg innerhalb des neuronalen Netzwerks wurde mittels simultaner genetischer Manipulation der Pilzkörperneurone, die sog. Kenyon Zellen, und der pPAM Neuronen analysiert. Der Einfluss der Rückkopplungsschleife zwischen Kenyon Zellen und pPAM Neuronen auf das larvale Verhalten wurde durch verschiedene Verhaltensexperimente getestet. In dieser Arbeit wurden Drosophila Larven darauf trainiert, einen Duft mit optogenetischer Aktivierung der Pilzkörper Neurone zu assoziieren. Dabei konnte die Ausbildung eines positiven Gedächtnisses in Abwesenheit einer physischen Belohnung beobachtet werden. Wurden aber zusätzlich die dopaminergen Neurone des pPAM Clusters ablatiert, so zeigten die Larven keine Expression des Gedächtnisses mehr. Meine Daten zeigten, dass die Aktivierung der Kenyon Zellen in einer Aktivierung der dopaminergen Neurone über der Rückkopplungsschleife resultiert, und dementsprechend einen internen Belohnungssignalweg einleitet. Dadurch wird das Vorhandensein einer „echten“ Belohnung nachgeahmt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Rückkopplung von den Kenyon Zellen zu den pPAM Neurone von peptiderger Natur ist. Die Kenyon Zellen exprimieren das Neuropeptid short neuropeptide F, das an Rezeptoren in den pPAM Neurone bindet und das Lernverhalten beeinflusst. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung der Rückkopplungsschleife eine Auswirkung auf die Stabilität des positiven Gedächtnisses in Richtung nachhaltiger Erinnerungen hat

Reward signaling in a recurrent circuit of dopaminergic neurons and peptidergic Kenyon cells

Dopaminergic neurons in the brain of the Drosophila larva play a key role in mediating reward information to the mushroom bodies during appetitive olfactory learning and memory. Using optogenetic activation of Kenyon cells we provide evidence that recurrent signaling exists between Kenyon cells and dopaminergic neurons of the primary protocerebral anterior (pPAM) cluster. Optogenetic activation of Kenyon cells paired with odor stimulation is sufficient to induce appetitive memory. Simultaneous impairment of the dopaminergic pPAM neurons abolishes appetitive memory expression. Thus, we argue that dopaminergic pPAM neurons mediate reward information to the Kenyon cells, and in turn receive feedback from Kenyon cells. We further show that this feedback signaling is dependent on short neuropeptide F, but not on acetylcholine known to be important for odor-shock memories in adult flies. Our data suggest that recurrent signaling routes within the larval mushroom body circuitry may represent a mechanism subserving memory stabilization