Predicting olfactory receptor neuron responses from odorant structure

Background Olfactory receptors work at the interface between the chemical world of volatile molecules and the perception of scent in the brain. Their main purpose is to translate chemical space into information that can be processed by neural circuits. Assuming that these receptors have evolved to cope with this task, the analysis of their coding strategy promises to yield valuable insight in how to encode chemical information in an efficient way. Results We mimicked olfactory coding by modeling responses of primary olfactory neurons to small molecules using a large set of physicochemical molecular descriptors and artificial neural networks. We then tested these models by recording in vivo receptor neuron responses to a new set of odorants and successfully predicted the responses of five out of seven receptor neurons. Correlation coefficients ranged from 0.66 to 0.85, demonstrating the applicability of our approach for the analysis of olfactory receptor activation data. The molecular descriptors that are best-suited for response prediction vary for different receptor neurons, implying that each receptor neuron detects a different aspect of chemical space. Finally, we demonstrate that receptor responses themselves can be used as descriptors in a predictive model of neuron activation. Conclusions The chemical meaning of molecular descriptors helps understand structure-response relationships for olfactory receptors and their 'receptive fields'. Moreover, it is possible to predict receptor neuron activation from chemical structure using machine-learning techniques, although this is still complicated by a lack of training data

Eine Calcium Imaging Studie

In this calcium imaging study properties of mushroom body (MB) extrinsic neurons (EN) were investigated. In previous studies, the MB, paired central structures of the arthropod brain, had been shown to process stimuli of different sensory modalities and to be necessary for memory formation. For further investigation of how neurons, involved in the MB circuitry are subject to plasticity underlying learning processes, we demonstrate how stimuli are represented by these neurons. In Chapter 2, we describe how honeybee foragers were exposed to a set of ten odors, to repeated stimulation with the same and different odors and to odor concentrations spanning several orders of magnitude. Also, responses to gustatory and visual stimuli were investigated. Activity in a subset of MB EN of the alpha-lobe was observed during stimulus presentation. Activity in neurons of the MB output region, in response to all tested odors was shown, exhibiting diverse temporal patterns. EN responded to all tested odor concentrations displaying a sigmoid dose-response relationship. In most cases, stimulation with one odor induced a diminished response to consecutive stimulations with the same or a different odor. We conclude, the MB EN measured in these experiments integrate information from their presynaptic partners, the Kenyon cells. Odors are represented in categories, however these categories are not related to the physical properties of the odor molecules. Furthermore, responses to visual and gustatory stimuli in EN were observed and characterized. In Chapter 3 the focus was on EN with arborizations in the median region if the MB-lobe. Calcium imaging was employed to measure odor evoked activity in subsets of EN, before and after subjects were trained in an appetitive odor learning paradigm (PER-conditioning). The behavioral response was monitored by recording the electro-myogram of the M17 muscle (protractor of the labium). We show that bees form a robust memory in restrained conditions during imaging experiments. Learning related plasticity in MB EN was found, manifested in an increased activity in response to the CS+ or in decreased activity in response to the CS– ten minutes after conditioning. This activity increase or decrease was correlated with the behavioral output. Previous findings, suggesting the MB network is subject to associative and non-associative plasticity could be confirmed. The integrative properties of the EN may serve to relay learning specific information to downstream neuropiles. In Chapter 4 we describe how EN of the MB alpha-lobes belonging to different morphological subgroups were stained iontophoretically or via backfills. We asked, whether EN belonging to different morphological subgroups have different physiological properties. Activity evoked by odor and sucrose stimulation of the antennae was measured in these neurons employing calcium imaging. Also, possible changes of activity induced by olfactory learning were investigated. Associative plasticity became immanent as a reduction of signal intensity in response to the rewarded odor after training and in a reduction of response variance. After the experiments the identity of the imaged structures was confirmed using confocal microscopy.In der vorliegenden Arbeit wurden optophysiologische Messungen, basierend auf Veränderungen in der intrazellulären Kalziumkonzentration von extrinsichen Pilzkörper (PK) neuronen durchgeführt. Aus einer Reihe von Studien geht hervor, dass die PK, paarig vorliegende zentrale Strukturen des Arthropodengehirns, Reize verschiedener sensorischer Modalitäten verarbeiten und ein Rolle beim Lernen und der Gedächtnisbildung spielen. Für ein weitergehendes Verständnis der Beteiligung von Neuronen des PK Netzwerkes an den Prozessen des Lernens und der Gedächtnisbildung und inwiefern diese Neurone lernbedingter Plastizität unterliegen, ist es wichtig, eine Charakterisierung der Representation von Reizen (z.B. Duftreizen) in diesen Neuronen vorzunehmen. In Kapitel 2 werden Experimente beschrieben in denen Honigbienensammlerinnen zehn verschiedenen Düften, Duftreizen von Konzentrationen verschiedener Größenordnungen und wiederholter Stimulierung mit gleichen und verschiedenen Düften ausgesetzt wurden. Darüberhinaus, wurden neuronale Antworten auf visuelle und gustatorische Stimulationen untersucht. Die Aktivität von PK extrinsichen Neuronen während der Stimulierung wurde mittels optophysiologischer Methoden (“Calcium Imaging”) untersucht. Es konnte Aktivität als Reaktion auf die Stimulierung mit zehn verschiedenen Düften gezeigt werden, die sich teilweise in ihren dynamischen Mustern unterschieden. Extrinsiche Neurone reagierten desweiteren auf Stimulierung mit allen verwendeten Konezentrationen wobei sich ein sigmoides Verhältnis zwischen Konzentration und Reaktionsintensität abzeichnete. In den meisten Fällen bewirtkte die Stimulierung mit einem Duft eine verminderte Reaktion auf eine folgende Stimulierung mit dem selben oder einem anderen Duft. Es wird daraus geschlossen, dass PK extrinsiche Neurone in den vorliegenden Experimenten die Informationen ihrer presynaptischen Partner, der Kenyonzellen integrieren. Die Repräsentation verschiedener Düfte erfolgt in Kategorien, diese reflektieren jedoch nicht die physikalischen Eigenschaften der Duftmoleküle. Desweitereren wurden Reaktionen auf visuelle und gustatorische Reize beobachtet und charakterisiert. In Kapitel 3 lag der Fokus auf extrinsichen Neuronen mit verzweigungen im medialen Teil des alpha-Lobus Optophysiologische Messungen wurden genutzt um duftinduzierte Aktivität in PK extrinsischen Neuronen (EN) während der Konditionierung in einem appetetiven olfaktorischen Lernparadigma (Konditionierung der Rüsselstreckreaktion) zu messen. Die Verhaltensantwort wurde mittels elektromyografischer Messungen des M17 (Protraktormuskel des Labiums) überwacht. Es konnte gezeigt werden, dass Bienen während der optophysiologischen Messungen ein robustes Duftgedächtnis bilden. Ausserdem konnte Plastizität in extrinsischen Neuronen im Zusammenhang mit Lernen gezeigt werden, die sich entweder in einer erhöhten Duftreaktion auf den CS+, oder einer verminderten Reaktion auf den CS– zehn Minuten nach der Duftkonditionierung manifestierte. Dieser Aktivitätsanstieg bzw. die Aktivitätsabnahme war korreliert mit dem beobachteten Verhalten. Die Ergebnisse vorangegangener Studien, die eine Beteiligung des PK Netzwerkes an assoziativer und nicht assoziativer lerninduzierter Plastizität vorschlagen, konnte bestätigt werden. Die integrativen Eigenschaften PK EN könnten dazu dienen lernspezifische Informationen vom PK an andere Gehirnregionen weiterzuleiten. In Kapitel 3 wird beschrieben wie EN verschiedener morphologischer Untergruppen iontophoretisch oder mittels aktiv transportierter Farbstoffe angefärbt wurden. Es wurde der Frage nachgegangen, ob extrinsiche Neurone verschiedener Untergruppen Unterschiede in ihrem physiologischen Verhalten aufweisen. Durch Duft- oder Zuckerstimulation hervorgerufene Aktivität wurde mittels optophysiologischer Methoden gemessen. Darüber hinaus wurden mögliche Veränderungen in der Duftrepräsentation, hervorgerufen durch assoziative Duftkonditionierung, untersucht. Assoziative Plastizität wurde deutlich in Form von reduzierten Duftreaktionen und einer verminderten Reaktionvarianz in Bezug auf den belohnten Duft nach der Konditionierung. Im Anschluss an die physiologischen Experimente wurde die Identität der untersuchten Zellen mittels Konfokalmikroskopie überprüft