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
