Table of contents Introduction: -1- I. Odor specificity and response
reliability of mushroom body extrinsic neurons in the honeybee: -16- II.
Recruitment and learning induced plasticity in alpha-lobe extrinsic neurons of
the honeybee: -52- III. Side-specific odor representation in alpha-lobe
extrinsic neurons: -86- General Discussion: -116- Summary: -130-
Zusammenfassung: -132- Danksagung: -134- Curriculum vitae: -136-Summary This thesis investigates odor learning in the mushroom body (MB) of
the honeybee Apis mellifera carnica. Using extra cellular long term recordings
of alpha lobe extrinsic neurons [ENs] that read out the information of the MB
were characterized and their changes during and after applying different
learning paradigms documented. The results allow conclusions about the MBs
role regarding learning and memory formation. At the level of the ENs the
information about the conditioned stimulus “CS” (odor) and the unconditioned
stimulus “US” (sucrose reward) seems to be integrating into the bee brain. The
result is a stable stimulus specific response. Furthermore the level of
integrating the information of both brain sides into one compound is shown.
Chapter I addresses the general response properties of the ENs to repeated
odor stimulation. Single mushroom body-extrinsic neurons were recorded while
the bees have been exposed to repeated odor stimulations of 10 different
odors. The responses were characterized regarding their odor specificity and
their reliability. I can show that ENs are initially odor unspecific, meaning
that most of them respond to all of the 10 tested odors. When focusing on the
responses to the repetitions of one identical odor, it appears that ENs
respond rather unreliable. The results indicate that the neural population
activity at the level of the MB output does not reliably represent sensory
stimuli. Chapter II discussed the question if the properties characterized in
chapter 1 can be influenced by applying differential conditioning of two
odors, the forward-paired CS+ and the unpaired CS- and three control odors.
After conditioning the odors, two groups of neurons appeared. One group was
completely unaffected (“stereotypic”). Units related to the other group showed
learning dependent plasticity. I found two types of “plastic” units. One type
responded, before the subjects had built an association rather unreliable to
only a few different odors, meaning that they were more odor specific compared
to the stereotypic units. After the animals had built an association, 30 % of
these units were recruited to respond to the rewarded odor (CS+) more
reliable. Other plastic units were initially odor non-responding and started
to respond for different odors after the conditioning. These units started
already to respond during the overlap (coincidence) of the CS and the US.
Chapter III deals with the question, if the information of both MBs is
integrated at the level of the ENs. Side specific conditioning experiments
were performed during which the antennae of the bees received different input.
The differential conditioning of the odors, where one odor was presented
reinforced (CS+) and the other non reinforced (CS-), was always performed on
the contralateral side related to the recording position. Like in chapter II
also during the contra lateral conditioning I observed activity changes in the
recorded ENs if the CS and the US were presented overlapping, although I
recorded the activity of ENs of the contra lateral brain site, where the
antennae of the bees received no odor input. However, after three hours
resting time a stable and reliable representation of the different side
specific stimuli was established. Thus, the general properties described in
chapter I changed after differential odor conditioning as demonstrated in
chapter II. Also the conditioning at only one antennae recruits units and
changed the general response properties of the contralateral recorded ENs as
demonstrated in chapter III. The representation of the odor stimulus at the
output of the MB is laterally dissolved.Zusammenfassung Diese Arbeit untersucht das olfaktorische Lernen im Pilzkörper
der Honigbiene Apis mellifera carnica. Mittels extrazellulärer
Langzeitaufnahmen wurde die Aktivität von Alpha Lobus extrinsischen Neuronen
[EN], die den Ausgang des Pilzkörpers darstellen, gemessen. Die
Antworteigenschaften dieser Neurone wurden charakterisiert und ihre
Veränderungen während und nach unterschiedlichen differentiellen
Konditionierungsexperimenten dokumentiert. Die Ergebnisse bestätigen, das auf
der Ebene der Pilzkörper der konditionierte Stimulus „CS“ (Duft) und der
unkonditionierte Stimulus „US“ (Zuckerbelohnung) zusammengeführt werden. Nach
der Konditionierung rufen die Stimulationen mit den gelernten und mit den
Kontrolldüften unterschiedliche Antworten in den EN hervor. Einige von ihnen
werden sogar rekrutiert um auf den assoziierten Duft zu antworten. Des
Weiteren konnte gezeigt werden, dass auf dieser neuronalen Ebene die
Information der beiden Gehirnhälften zu einem seitenspezifischen Gesamtbild
zusammengefasst werden. In Kapitel I werden die allgemeinen
Antworteigenschaften der EN charakterisiert. Dazu wurden einzelne EN
elektrophysiologisch erfasst und ihre Antworten auf wiederholte Duftgaben
ausgewertet. Zehn unterschiedliche Düfte wurden jeweils zehn mal getestet. Aus
den Wiederholungen jedes einzelnen Duftes wurden Zuverlässigkeits- indices
errechnet. Außerdem wurde über die gepolten 10 Wiederholungen jedes Duftes
erfasst, ob der jeweilige Duft im mittel eine Antwort im abgeleiteten Neuron
hervorruft oder nicht. Daraus wurde ermittelt wie breit das Duftspektrum jedes
Neurons ist. Es stellte sich heraus, dass die meisten EN sehr unzuverlässig
und duftunspezifisch antworten. Daraus schließe ich, dass diese Neurone nicht
an der Duftkodierung beteiligt sind, sondern andere Eigenschaften der
wahrgenommenen Düfte vermitteln. In Kapitel II wurden differentielle
Konditionierungsexperimente durchgeführt, um zu testen, ob die in Kapitel I
herausgearbeiteten Eigenschaften (unzuverlässige und duftunspezifische
Antworten) beeinflussbar sind. Dazu wurden fünf unterschiedliche Düfte jeweils
zehnmal vor und nach der Konditionierung getestet. Zwischen den Tests wurden
zwei der fünf Düfte für eine differentielle Konditionierung benutzt. Dabei
wurde ein Duft belohnt (CS+) der andere unbelohnt (CS-) presentiert. Zwei
Hauptgruppen von EN ließen sich unterscheiden. Eine Gruppe von Neuronen
reagierte eher „stereotyp“, und ließen sich nicht durch das verwendete
Lernparadigma beeinflussen. In der anderen Gruppe, bestehend aus „plastischen“
EN zeigte sich, dass die Duftspektren veränderbar sind und von den Düften, die
während der differentiellen Konditionierung verwendet wurden, dominiert sind.
30 % der plastischen neurone ließen sich durch den CS+ recrutieren. Auch die
Zuverlässigkeit der Neurone auf einen bestimmten Duft zu reagieren konnte
durch lernen beeinflusst werden. Auch hier scheinen die beiden konditionierten
Düfte zu dominieren. In Kapitel III wird untersucht, wie die Information der
beiden Pilzkörper auf der Ebene der EN repräsentiert ist. Dazu wurden die
Antennen der Bienen räumlich getrennt und seitenspezifische Dufttests
durchgeführt. Eine einseitige differentielle Konditionierung bei der einer der
Düfte belohnt wurde (CS+) und der anderer nicht (CS-) wurde durchgeführt, und
zwar an der contralateralen Antenne bezogen auf die Ableitposition. Nach dem
die Tiere drei Stunden ruhen konnten, wurden die Düfte wieder auf beiden
Seiten getestet. Bei diesem Test zeigte sich, dass der belohnte Duft auf der
Seite gegeben, auf der er zuvor konditioniert worden war, zu einer Antwort im
contralateral aufgenommenen Neuron führte. Derselbe Duft auf der Seite
präsentiert, auf der er nicht konditioniert wurde (ipsilateral zur
Elektrodenposition) erzeugte keine Antwort, bzw. führte in einigen Fällen
sogar zu einer Inhibition. Demnach wird auf der ebene der EN die Lateralität
des gelernten Duftes repräsentiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die
in Kapitel I beschriebenen allgemeinen Eigenschaften der EN (Unzuverlässigkeit
und Unspezifität) durch lernen verändert werden können, wie Kapitel II zeigt.
Auch das Lernen mit nur einer Antenne führt dazu, dass Neurone der
contralateralen Seite rekrutiert werden und nach dem seitenspezifischen Lernen
die jeweiligen seitenspezifischen Stimuli zu unterschiedlicher Aktivität in
den EN führen (siehe Kapitel III). Demnach scheint die Lateralität des der
gelernten Düfte auf dieser neuronalen Ebene mit codiert zu sein
