Ulm, Univ. Diss., 2006.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2007 u.d.T.: Grah, Gunnar: Dreidimensionale Orientierung anhand vereinfachter Repräsentationen von Routen und Räumen / Hergestellt on demand

Thesis (doctoral)--Universität Zürich, 1982.

Cataglyphis ants are famous for their navigational abilities. They live in hostile habitats where they forage as solitary scavengers covering distances of more than hundred thousand times their body lengths. To return to their nest with a prey item – mainly other dead insects that did not survive the heat – Cataglyphis ants constantly keep track of their directions and distances travelled. The navigational strategy is called path integration, and it enables an ant to return to the nest in a straight line using its home vector. Cataglyphis ants mainly rely on celestial compass cues, like the position of the sun or the UV polarization pattern, to determine directions, and they use an idiothetic step counter and optic flow to measure distances. In addition, they acquire information about visual, olfactory and tactile landmarks, and the wind direction to increase their chances of returning to the nest safe and sound. Cataglyphis’ navigational performance becomes even more impressive if one considers their life style. Most time of their lives, the ants stay underground and perform tasks within the colony. When they start their foraging careers outside the nest, they have to calibrate their compass systems and acquire all information necessary for navigation during subsequent foraging. This navigational toolkit is not instantaneously available, but has to be filled with experience. For that reason, Cataglyphis ants perform a striking behavior for up to three days before actually foraging. These so-called learning walks are crucial for the success as foragers later on. In the present thesis, both the ontogeny and the fine-structure of learning walks has been investigated. Here I show with displacement experiments that Cataglyphis ants need enough space and enough time to perform learning walks. Spatially restricted novices, i. e. naïve ants, could not find back to the nest when tested as foragers later on. Furthermore, ants have to perform several learning walks over 1-3 days to gain landmark information for successful homing as foragers. An increasing number of feeder visits also increases the importance of landmark information, whereas in the beginning ants fully rely on their path-integration vector. Learning walks are well-structured. High-speed video analysis revealed that Cataglyphis ants include species-specific rotational elements in their learning walks. Greek Cataglyphis ants (C. noda and C. aenescens) inhabiting a cluttered pine forest perform voltes, small walked circles, and pirouettes, tight turns about the body axis with frequent stopping phases. During the longest stopping phases, the ants gaze back to their nest entrance. The Tunisian Cataglyphis fortis ants inhabiting featureless saltpans only perform voltes without directed gazes. The function of voltes has not yet been revealed. In contrast, the fine structure of pirouettes suggests that the ants take snapshots of the panorama towards their homing direction to memorize the nest’s surroundings. The most likely hypothesis was that Cataglyphis ants align the gaze directions using their path integrator, which gets directional input from celestial cues during foraging. To test this hypothesis, a manipulation experiment was performed changing the celestial cues above the nest entrance (no sun, no natural polarization pattern, no UV light). The accurately directed gazes to the nest entrance offer an easily quantifiable readout suitable to ask the ants where they expect their nest entrance. Unexpectedly, all novices performing learning walks under artificial sky conditions looked back to the nest entrance. This was especially surprising, because neuronal changes in the mushroom bodies and the central complex receiving visual input could only be induced with the natural sky when comparing test animals with interior workers. The behavioral findings indicated that Cataglyphis ants use another directional reference system to align their gaze directions during the longest stopping phases of learning walk pirouettes. One possibility was the earth’s magnetic field. Indeed, already disarraying the geomagnetic field at the nest entrance with an electromagnetic flat coil indicated that the ants use magnetic information to align their looks back to the nest entrance. To investigate this finding further, ants were confronted with a controlled magnetic field using a Helmholtz coil. Elimination of the horizontal field component led to undirected gaze directions like the disarray did. Rotating the magnetic field about 90°, 180° or -90° shifted the ants’ gaze directions in a predictable manner. Therefore, the earth’s magnetic field is a necessary and sufficient reference system for aligning nest-centered gazes during learning-walk pirouettes. Whether it is additionally used for other navigational purposes, e. g. for calibrating the solar ephemeris, remains to be tested. Maybe the voltes performed by all Cataglyphis ant species investigated so far can help to answer this question.. / Cataglyphis-Ameisen sind für ihre Navigationsfähigkeiten berühmt. Sie bewohnen lebens- feindliche Regionen in denen sie einzeln und über weite Strecken Futter suchen müssen. Um mit Beute (meist ein totes Insekt, das die große Hitze nicht überlebt hat) zu ihrem Nest zurückzukehren, bedienen sie sich einer Navigationsstrategie, die als Wegintegration beze- ichnet wird. Dabei müssen die Ameisen die zurückgelegten Distanzen messen und jeden Richtungswechsel registrieren, um schließlich in gerader Linie nachhause zurückkehren zu können. Als Kompass nutzen sie Himmelsinformationen, wie den Stand der Sonne oder das UV-Polarisationsmuster, und für die Distanzmessung verwenden sie einen inneren Schrittzäh- ler sowie optischen Fluss. Außerdem nutzen sie alle weiteren Informationen, die hilfreich sein könnten, um sicher zum Nest zurückzukehren. Dazu gehören visuelle, olfaktorische und taktile Landmarken sowie die Richtung des Windes. Die Navigationsleistungen von Cataglyphis-Ameisen sind insbesondere dann bemerkenswert, wenn man sich bewusst macht, dass sie die meiste Zeit ihres Lebens unter der Erde verbringen. Dort übernehmen sie Auf- gaben im Nest bis sie dann schließlich alt genug sind, um draußen Futter zu suchen. Dann müssen sie ihre Kompasssysteme kalibrieren und alle Informationen lernen, die sie für eine erfolgreiche Futtersuche brauchen. Dieses sogenannte Navigations-Toolkit steht den Ameisen nicht automatisch zur Verfügung, vielmehr müssen sie es mit eigener Erfahrung füllen. Dafür nutzen sie die ersten ein bis drei Tage außerhalb des Nestes. Während dieser Zeit suchen sie kein Futter, sondern vollführen sogenannte Lernläufe. Lernläufe sind unabdingbar, um später als Fourageur erfolgreich zu sein. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde sowohl die zeitliche und räumliche Entwicklung der Lernläufe als auch deren Feinstruktur untersucht. Mit Versetzungsexperimenten konnte ich zeigen, dass Ameisen genügend Zeit und Raum brauchen, um Lernläufe durchzuführen. Wurden Neulinge während ihrer Lernläufe räumlich eingeschränkt, so konnten sie nicht zum Nest zurückfinden, wenn sie als erfahrene Fourageure getestet wurden. Außerdem brauchen die Ameisen ein bis drei Tage Zeit, um ein Landmarkenpanorama zu erlernen, das sie dann später erfolgreich zur Landmarkenorientierung nutzen können. Eine größere Anzahl an Besuchen am Futterplatz erhöht die Wichtigkeit von Landmarkeninformation für die Ameisen, die anfangs nur ihren Wegintegrator nutzen. Lernläufe weisen eine beeindruckende Struktur auf. Mit High-Speed-Videoaufnahmen konnte gezeigt werden, dass Cataglyphis-Ameisen artspezifische Drehungen während der Lernläufe vollführen. Die griechischen Cataglyphis-Ameisen (C. noda und C. aenescens) leben in einem Pinienwald, der ihnen ein vielfältiges und landmarkenreiches Panorama bietet. Ihre Lernläufe beinhalten zwei Drehungsformen, nämlich sogenannte Volten (kleine gelaufene Kreise) und Pirouetten (enge Drehungen um die eigene Körperachse mit häufigen Stoppphasen). Während der längsten Stoppphase einer Pirouette schauen die Ameisen zurück in die Richtung ihres Nesteingangs, obwohl sie ihn nicht direkt sehen können. Die tunesischen Cataglyphis-Ameisen (C. fortis ) leben auf einem landmarkenarmen Salzsee. Sie vollführen nur Volten und machen keine Pirouetten während ihrer Lernläufe. Die Funktion von Volten ist noch unbekannt, wohingegen die Feinstruktur der Pirouetten die Vermutung nahelegt, dass die Ameisen sogenannte Schnappschüsse von der Umgebung ihres Nestes machen, um dorthin zurückkehren zu können. Es schien wahrscheinlich, dass die Ameisen ihren Wegintegrator nutzen, um ihre Blickrich- tungen zum Nest auszurichten. Während der Futtersuche bekommt der Wegintegrator seine Richtungsinformationen vom Himmelskompass. Daher wurde ein Experiment geplant und durchgeführt bei dem die Himmelsinformationen über dem Nesteingang manipuliert wurden (keine Sicht auf die Sonne, kein natürliches Polarisationsmuster oder kein UV-Licht). Die nest- zentrierten Blickrichtungen der Ameisen ermöglichen es relativ einfach zu überprüfen, ob die Ameisen die Position des Nesteingangs kennen. Überraschenderweise schauten die Ameisen unter allen Bedingungen weiterhin zurück zum Nesteingang. Dies war insbesondere be- merkenswert, da die Himmelsmanipulation neuronale Veränderungen in den Pilzkörpern und dem Zentralkomplex (das sind Regionen im Gehirn der Ameisen, die visuelle Informationen verarbeiten) bewirkten bzw. diese verhinderten. Nur unter natürlichen Bedingungen, also bei freiem Blick auf die Sonne, gab es Unterschiede auf neuronaler Ebene zwischen den Testtieren und den Innendiensttieren, die als Kontrolle dienten. Die Ergebnisse des Verhaltensversuchs deuteten darauf hin, dass die Ameisen ein anderes direktionales Referenzsystem nutzen, um ihre Blickrichtungen zu kontrollieren. Eine Möglichkeit war das Erdmagnetfeld. Tatsächlich zeigte schon die experimentelle Streuung des Magnetfelds am Nesteingang mittels einer elektromagnetischen Flachspule, dass die Ameisen tatsächlich Magnetinformationen nutzen, um ihre Blicke auszurichten. Die Blickrichtungen während der längsten Stoppphasen waren nicht mehr zum Nesteingang gerichtet. Um dies genauer zu untersuchen wurden die Ameisen mit dem kontrollierten Magnetfeld einer Helmholtzspule konfrontiert. Die Eliminierung der Horizontalkomponente des Magnetfelds bewirkte wiederum, dass die Ameisen nicht zum Nesteingang zurückschauten. Wurde die Horizontalkomponente jedoch um 90◦, 180◦ oder -90◦ gedreht, so folgten die Blickrichtungen der Ameisen dieser Drehung voraussagbar im selben Winkel. Dies zeigt, dass das Erdmagnetfeld tatsächlich das Referenzsystem für die Ausrichtungen der Blicke während der Lernlaufpirouetten darstellt. Ob es auch noch an- deren Navigationszwecken, wie beispielsweise der Kalibrierung der solaren Ephemeris dient, muss zukünftig überprüft werden. Vielleicht können die Volten, die alle bisher untersuchten

An adequate task allocation among colony members is of particular importance in large insect societies. Some species exhibit distinct polymorphic worker classes which are responsible for a specific range of tasks. However, much more often the behavior of the workers is related to the age of the individual. Ants of the genus Cataglyphis (Foerster 1850) undergo a marked age-related polyethism with three distinct behavioral stages. Newly emerged ants (callows) remain more or less motionless in the nest for the first day. The ants subsequently fulfill different tasks inside the darkness of the nest for up to four weeks (interior workers) before they finally leave the nest to collect food for the colony (foragers). This thesis focuses on the neuronal substrate underlying the temporal polyethism in Cataglyphis nodus ants by addressing following major objectives: (1) Investigating the structures and neuronal circuitries of the Cataglyphis brain to understand potential effects of neuromodulators in specific brain neuropils. (2) Identification and localization of neuropeptides in the Cataglyphis brain. (3) Examining the expression of suitable neuropeptide candidates during behavioral maturation of Cataglyphis workers. The brain provides the fundament for the control of the behavioral output of an insect. Although the importance of the central nervous system is known beyond doubt, the functional significance of large areas of the insect brain are not completely understood. In Cataglyphis ants, previous studies focused almost exclusively on major neuropils while large proportions of the central protocerebrum have been often disregarded due to the lack of clear boundaries. Therefore, I reconstructed a three-dimensional Cataglyphis brain employing confocal laser scanning microscopy. To visualize synapsin-rich neuropils and fiber tracts, a combination of fluorescently labeled antibodies, phalloidin (a cyclic peptide binding to filamentous actin) and anterograde tracers was used. Based on the unified nomenclature for insect brains, I defined traceable criteria for the demarcation of individual neuropils. The resulting three-dimensional brain atlas provides information about 33 distinct synapse-rich neuropils and 30 fiber tracts, including a comprehensive description of the olfactory and visual tracts in the Cataglyphis brain. This three-dimensional brain atlas further allows to assign present neuromodulators to individual brain neuropils. Neuropeptides represent the largest group of neuromodulators in the central nervous system of insects. They regulate important physiological and behavioral processes and have therefore recently been associated with the regulation of the temporal polyethism in social insects. To date, the knowledge of neuropeptides in Cataglyphis ants has been mainly derived from neuropeptidomic data of Camponotus floridanus ants and only a few neuropeptides have been characterized in Cataglyphis. Therefore, I performed a comprehensive transcriptome analysis in Cataglyphis nodus ants and identified peptides by using Q-Exactive Orbitrap mass spectrometry (MS) and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) MS. This resulted in the characterization of 71 peptides encoded on 49 prepropeptide genes, including a novel neuropeptide-like gene (fliktin). In addition, high-resolution MALDI-TOF MS imaging (MALDI-MSI) was applied for the first time in an ant brain to localize peptides on thin brain cryosections. Employing MALDI-MSI, I was able to visualize the spatial distribution of 35 peptides encoded on 16 genes. To investigate the role of neuropeptides during behavioral maturation, I selected suitable neuropeptide candidates and analyzed their spatial distributions and expression levels following major behavioral transitions. Based on recent studies, I suggested the neuropeptides allatostatin-A (Ast-A), corazonin (Crz) and tachykinin (TK) as potential regulators of the temporal polyethism. The peptidergic neurons were visualized in the brain of C. nodus ants using immunohistochemistry. Independent of the behavioral stages, numerous Ast-A- and TK-immunoreactive (-ir) neurons innervate important high-order integration centers and sensory input regions with cell bodies dispersed all across the cell body rind. In contrast, only four corazonergic neurons per hemisphere were found in the Cataglyphis brain. Their somata are localized in the pars lateralis with axons projecting to the medial protocerebrum and the retrocerebral complex. Number and branching patterns of the Crz-ir neurons were similar across behavioral stages, however, the volume of the cell bodies was significantly larger in foragers than in the preceding behavioral stages. In addition, quantitative PCR analyses displayed increased Crz and Ast-A mRNA levels in foragers, suggesting a concomitant increase of the peptide levels. The task-specific expression of Crz and Ast-A along with the presence in important sensory input regions, high-order integration center, and the neurohormonal organs indicate a sustaining role of the neuropeptides during behavioral maturation of Cataglyphis workers. The present thesis contains a comprehensive reference work for the brain anatomy and the neuropeptidome of Cataglyphis ants. I further demonstrated that neuropeptides are suitable modulators for the temporal polyethism of Cataglyphis workers. The complete dataset provides a solid framework for future neuroethological studies in Cataglyphis ants as well as for comparative studies on insects. This may help to improve our understanding of the functionality of individual brain neuropils and the role of neuropeptides, particularly during behavioral maturation in social insects. / Eine adäquate Aufgabenverteilung unter den Koloniemitgliedern ist in großen Insektengesellschaften von besonderer Bedeutung. Einige Arten weisen polymorphe Arbeiterklassen auf, die jeweils für einen bestimmten Aufgabenbereich zuständig sind. Viel häufiger jedoch steht das Verhalten der Arbeiterinnen im Zusammenhang mit dem Alter der Individuen. Ameisen der Gattung Cataglyphis (Foerster 1850) weisen einen ausgeprägten alterskorrelierten Polyethismus auf, der sich durch drei unterschiedliche Verhaltensstadien kennzeichnet. Neu geschlüpfte Ameisen (Callows) verharren den ersten Tag mehr oder weniger bewegungslos im Nest. Anschließend erfüllen die Ameisen in der Dunkelheit des Nestes bis zu vier Wochen lang verschiedene Aufgaben (Interior), bevor sie schließlich das Nest verlassen, um Nahrung für die Kolonie zu sammeln (Forager). Diese Arbeit konzentriert sich auf die neuronalen Grundlagen, die dem alterskorrelierten Polyethismus bei Cataglyphis nodus Ameisen zugrunde liegt, indem folgende Hauptziele verfolgt werden: (1) Untersuchung der Strukturen und der neuronalen Schaltkreise des Cataglyphis-Gehirns, um mögliche Effekte von Neuromodulatoren in spezifischen Hirnneuropilen besser zu verstehen. (2) Identifizierung und Lokalisierung von Neuropeptiden im Gehirn von Cataglyphis Ameisen. (3) Untersuchung der Expression geeigneter Neuropeptid-Kandidaten im Zuge der Verhaltensreifung von Cataglyphis Arbeitern. Das Gehirn bildet die Grundlage für die Steuerung des Verhaltens von Insekten. Obwohl die tragende Rolle des zentralen Nervensystems für das Verhalten zweifelsfrei bekannt ist, sind die funktionellen Aufgaben großer Bereiche des Insektengehirns nicht vollständig erforscht. Bei Cataglyphis Ameisen konzentrierten sich vorangegangene Studien fast ausschließlich auf die Hauptneuropile, während große Teile des zentralen Protocerebrums mangels klarer Abgrenzungen weitgehend unberücksichtigt geblieben sind. Daher habe ich ein dreidimensionales Cataglyphis-Gehirn mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie rekonstruiert. Um die synapsinreichen Neuropile und Nerventrakte zu visualisieren, wurde eine Kombination aus fluoreszenzgekoppelten Antikörpern, Phalloidin (ein zyklisches Peptid, das an filamentöses Aktin bindet) und anterograden Tracern verwendet. Basierend auf der einheitlichen Nomenklatur für Insektengehirne definierte ich nachvollziehbare Kriterien für die Abgrenzung der einzelnen Neuropile. Die resultierende dreidimensionale neuronale Karte liefert Informationen über 33 verschiedene synapsinreiche Neuropile und 30 Nerventrakte, einschließlich einer umfassenden Beschreibung der olfaktorischen und visuellen Trakte im Cataglyphis-Gehirn. Dieser dreidimensionale Hirnatlas erlaubt es darüber hinaus, die vorhandenen Neuromodulatoren einzelnen Neuropilen des Gehirns zuzuordnen. Neuropeptide stellen die umfangreichste Gruppe an Neuromodulatoren im zentralen Nervensystem von Insekten dar. Sie regulieren wichtige physiologische Prozesse und Verhaltensweisen und wurden deshalb in jüngerer Vergangenheit mit der Regulation des alterskorrelierenden Polyethismus bei sozialen Insekten in Verbindung gebracht. Bislang wurde das Wissen über Neuropeptide bei Cataglyphis Ameisen hauptsächlich aus neuropeptidomischen Daten von Camponotus floridanus Ameisen abgeleitet und nur wenige Neuropeptide wurden bei Cataglyphis charakterisiert. Daher führte ich eine umfassende Transkriptomanalyse bei Cataglyphis nodus Ameisen durch und identifizierte Peptide mit Hilfe der Q-Exactive Orbitrap Massenspektrometrie (MS) und der Matrix-assistierte Laser Desorption-Ionisierung Time-of-Flight (MALDI-TOF) MS. Hierdurch konnten insgesamt 71 Peptide charakterisiert werden, die auf 49 Präpropeptid-Genen kodiert sind, einschließlich eines neuartigen Neuropeptid-ähnlichen Gens (Fliktin). Darüber hinaus wurde das hochauflösende MALDI-TOF MS-Imaging (MALDI-MSI) zum ersten Mal in einem Ameisenhirn angewandt, um Peptide auf dünnen Hirnkryoschnitten zu lokalisieren. Mittels MALDI-MSI konnte ich die räumliche Verteilung von 35 Peptiden sichtbar machen, die auf 16 Genen kodiert sind. Um die Rolle der Neuropeptide während der Verhaltensreifung zu untersuchen, wählte ich geeignete Neuropeptid-Kandidaten aus und analysierte deren räumliche Verteilung und Expressionsniveaus im Zuge wichtiger Verhaltensübergänge. Basierend auf aktuellen Studien schlug ich die Neuropeptide Allatostatin-A (Ast-A), Corazonin (Crz) und Tachykinin (TK) als mögliche Regulatoren des alterskorrelierenden Polyethismus vor. Die peptidergen Neurone wurden im Gehirn von C. nodus Ameisen mittels Immunhistochemie sichtbar gemacht. Unabhängig von den Verhaltensstadien innervieren die zahlreichen Ast-A- und TK-immunreaktiven (-ir) Neuronen wichtige Integrationszentren höherer Ordnung sowie sensorische Eingangsregionen, während ihre Zellkörper über die gesamte Zellkörperschicht verteilt sind. Im Gegensatz dazu wurden im Cataglyphis-Gehirn nur vier corazonerge Neuronen pro Hemisphäre gefunden. Ihre Somata sind in der Pars lateralis lokalisiert, deren Axone in das mediale Protocerebrum und den retrozerebralen Komplex projizieren. Anzahl und Verzweigungsmuster der Crz-ir Neuronen waren in allen Verhaltensstadien ähnlich, jedoch war das Volumen der Zellkörper bei Foragern signifikant größer als in den vorangegangenen Verhaltensstadien. Darüber hinaus zeigten quantitative PCR Analysen erhöhte Crz- und Ast-A mRNA-Level in Foragern, was auf einen gleichzeitigen Anstieg der Peptidspiegel schließen lässt. Die aufgabenspezifische Expression von Crz und Ast-A sowie deren Präsenz in wichtigen sensorischen Eingangsbereichen, Integrationszentren höherer Ordnung und den neurohormonellen Organen weisen auf eine tragende Rolle der Neuropeptide während der Verhaltensreifung von Cataglyphis Arbeiterinnen hin. Die vorliegende Arbeit beinhaltet ein umfassendes Nachschlagewerk für die Hirnanatomie und das Neuropeptidom von Cataglyphis Ameisen. Zudem konnte ich demonstrieren, dass Neuropeptide geeignete Modulatoren für den alterskorrelierenden Polyethismus von Cataglyphis Arbeitern sind. Der komplette Datensatz bietet eine solide Grundlage für zukünftige, neuroethologische Studien an Cataglyphis Ameisen sowie vergleichenden Studien in Insekten. Hierdurch kann unser Verständnis über die Funktionalität einzelner Hirnneuropile und die Rolle von Neuropeptiden, insbesondere während der Verhaltensreifung sozialer Insekten, in Zukunft verbessert werden.

Humans and animals alike use the sun, the moon, and the stars to guide their ways. However, the position of celestial cues changes depending on daytime, season, and place on earth. To use these celestial cues for reliable navigation, the rotation of the sky has to be compensated. While humans invented complicated mechanisms like the Antikythera mechanism to keep track of celestial movements, animals can only rely on their brains. The desert ant Cataglyphis is a prime example of an animal using celestial cues for navigation. Using the sun and the related skylight polarization pattern as a compass, and a step integrator for distance measurements, it can determine a vector always pointing homewards. This mechanism is called path integration. Since the sun’s position and, therefore, also the polarization pattern changes throughout the day, Cataglyphis have to correct this movement. If they did not compensate for time, the ants’ compass would direct them in different directions in the morning and the evening. Thus, the ants have to learn the solar ephemeris before their far-reaching foraging trips. To do so, Cataglyphis ants perform a well-structured learning-walk behavior during the transition phase from indoor worker to outdoor forager. While walking in small loops around the nest entrance, the ants repeatedly stop their forward movements to perform turns. These can be small walked circles (voltes) or tight turns about the ants’ body axes (pirouettes). During pirouettes, the ants gaze back to their nest entrance during stopping phases. These look backs provide a behavioral read-out for the state of the path integrator. The ants “tell” the observer where they think their nest is, by looking back to it. Pirouettes are only performed by Cataglyphis ants inhabiting an environment with a prominent visual panorama. This indicates, that pirouettes are performed to learn the visual panorama. Voltes, on the other hand, might be used for calibrating the celestial compass of the ants. In my doctoral thesis, I employed a wide range of state-of-the-art techniques from different disciplines in biology to gain a deeper understanding of how navigational information is acquired, memorized, used, and calibrated during the transition phase from interior worker to outdoor forager. I could show, that celestial orientation cues that provide the main compass during foraging, do not guide the ants during the look-backbehavior of initial learning walks. Instead Cataglyphis nodus relies on the earth’s magnetic field as a compass during this early learning phase. While not guiding the ants during their first walks outside of the nest, excluding the ants from perceiving the natural polarization pattern of the skylight has significant consequences on learning-related plasticity in the ants’ brain. Only if the ants are able to perform their learning-walk behavior under a skylight polarization pattern that changes throughout the day, plastic neuronal changes in high-order integration centers are induced. Especially the mushroom bogy collar, a center for learning and memory, and the central complex, a center for orientation and motor control, showed an increase in volume after learning walks. This underlines the importance of learning walks for calibrating the celestial compass. The magnetic compass might provide the necessary stable reference system for the ants to calibrate their celestial compass and learn the position of landmark information. In the ant brain, visual information from the polarization-sensitive ocelli converge in tight apposition with neuronal afferents of the mechanosensitive Johnston’s organ in the ant’s antennae. This makes the ants’ antennae an interesting candidate for studying the sensory bases of compass calibration in Cataglyphis ants. The brain of the desert navigators is well adapted to successfully accomplish their navigational needs. Females (gynes and workers) have voluminous mushroom bodies, and the synaptic complexity to store large amount of view-based navigational information, which they acquire during initial learning walks. The male Cataglyphis brain is better suited for innate behaviors that support finding a mate. The results of my thesis show that the well adapted brain of C. nodus ants undergoes massive structural changes during leaning walks, dependent on a changing celestial polarization pattern. This underlies the essential role of learning walks in the calibration of orientation systems in desert ants. / Die Gestirne helfen nicht nur Menschen uns zurecht zu finden, sondern auch Tiere können Sonne, Mond und Sterne für Navigation nutzen. Dabei gilt es aber zu beachten, dass die Himmelskörper ihre Position abhängig von der Tageszeit, den Jahreszeiten und dem Standort auf der Erde verändern. Um anhand von Himmelseigenschaften erfolgreich navigieren zu können, ist es deshalb unerlässlich diese Himmelsrotation zu kennen und für sie zu kompensieren. Menschen haben dafür bereits in der Antike komplizierte Maschinen wie den Antikythera Mechanismus entwickelt, Tiere dagegen brauchen nur ihr Gehirn. Wüstenameisen der Galtung Cataglyphis sind kleine Meisternavigatoren. Sie benutzen einen Himmelskompass, basierend auf der Sonne und dem mit ihr assoziierten Polarisationsmuster des Himmels, und einen Schrittintegrator, um einen Vektor zu bestimmen, der immer genau zu ihrem Ausgangspunkt zurück zeigt. Dieser Orientierungsmechanismus heißt Wegintegration. Da sich allerdings die Position der Sonne am Himmel und damit auch das Polarisationsmuster des Himmels über den Tag verändern, muss Cataglyphis für diese Veränderung kompensieren. Würde sie das nicht tun, würde ihr Kompass morgens in eine ganz andere Richtung als abends zeigen. Deshalb müssen Ameisen den Sonnenverlauf erlernen bevor sie zu ihren weitläufigen Futtersuchläufen aufbrechen. Cataglyphis führt dazu ein strukturiertes Lernlaufverhalten durch während des Übergangs von Innendiensttier zu Sammlerinnen. Dabei laufen die Ameisen in kleinen Schlaufen um ihren Nesteingang und stoppen ihre Vorwärtsbewegung mehrmalig, um Drehungen durchzuführen. Diese Drehungen sind entweder kleine gelaufene Kreise (Volten) oder Drehungen um die eigene Achse (Pirouetten). Nur Cataglyphis, die Gegenden mit einem reichhaltigen visuellen Panorama bewohnen, führen Pirouetten aus bei denen sie zurück zu ihrem Nesteingang schauen. Dies legt nahe, dass während Pirouetten das Panorama gelernt wird. Während Volten wird wohl der Himmelskompass kalibriert. Die Rückdrehungen während ihrer Lernläufe geben die einmalige Möglichkeit, die Ameise zu „fragen“ wo sie denkt, dass ihr Nest sei und damit ihren Wegintegrator auszulesen. In meiner Doktorarbeit kombinierte ich viele biologischen Methoden unterschiedlicher Disziplinen um zu untersuchen wie die Ameisen ihre Navigationssysteme während der ersten Läufe außerhalb des Nestes erlernen, speichern, kalibrieren und später nutzen. Ich konnte zeigen, dass Himmelsinformationen, die bei Sammlerinnen als wichtigster 4 Kompass dienen, nicht für die Orientierung der Rückblicke während Lernläufen dienen. Stattdessen nutzten naive Cataglyphis nodus das Erdmagnetfeld als Kompass. Obwohl Himmelsinformationen nicht als Kompass während der Lernläufe genutzt werden, spielen sie eine essentielle Rolle für neuroplastische Veränderungen im Gehirn der Ameisen. Nur wenn Ameisen ihre Lernläufe unter einem Polaristaionsmuster, das sich über den Tag hinweg verändert, ausführen, kommt es zu plastischen Veränderungen in neuronalen Integrationszentren. Besonders die Pilzkörper, Zentren für Lernen und Gedächtnis, und der Zentralkomplex, Zentrum für Orientierung und Bewegungssteuerung, nehmen im Volumen nach Lernläufen zu. Lernläufe spielen also eine wichtige Rolle für die Kalibrierung der Navigationsinformationen. Das Erdmagnetfeld könnte das für die Kalibierung notwendige erdgebundene, stabile Referenzsystem bieten, an dem die Himmelsbewegung gelernt wird. Im Ameisengehirn laufen visuelle Informationen von den polarisatiossensitiven Ocelli mit Afferenzen des mechanosensitiven Johnstonschen Organ aus der Antenne zusammen. Die Antenne könnte daher eine wichtiges Organ für die Kalibrierung der Orientierungssysteme sein. Das kleine Gehirn der Ameisen ist bestens an ihre Anforderungen als große Navigatoren angepasst. Weibliche C. nodus (Arbeiterinnen und Königinnen) besitzen große Pilzkörper mit einer Anzahl an Synapsen, die es ihnen erlaubt eine Vielzahl von Umgebungsbildern zu speichern, die sie während ihrer initialen Lernläufe lernen müssen. Das männliche Cataglyphis-Gehirn ist besser auf angeborene Orientierungsstrategien angepasst, die ihm helfen einen Geschlechtspartner zu finden. Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit zeigen, dass das an die navigatorischen Herausforderungen angepasste Gehirn von C. nodus signifikante neuronale Veränderungen in Abhängigkeit eines sich veränderten Polaristaionsmusters während der Lernläufe erfährt. Dies zeigt die essentielle Rolle der Lernläufe in der Kalibrierung der Navigationssysteme von Wüstenameisen.

Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis wurden zu Modellsystemen bei der Erforschung der Navigationsmechanismen der Insekten. Ein altersabhängiger Polyethismus trennt deren Kolonien in Innendienst-Arbeiterinnen und kurzlebige lichtausgesetzte Fourageure. Nachdem die Ameisen in strukturlosem oder strukturiertem Gelände bis zu mehrere hundert Meter weite Distanzen zurückgelegt haben, können sie präzise zu ihrer oft unauffälligen Nestöffnung zurückzukehren. Um diese enorme Navigationsleistung zu vollbringen, bedienen sich die Ameisen der sogenannten Pfadintegration, welche die Informationen aus einem Polarisationskompass und einem Entfernungsmesser verrechnet; des Weiteren orientieren sie sich an Landmarken und nutzen olfaktorische Signale. Im Fokus dieser Arbeit steht C. fortis, welche in Salzpfannen des westlichen Nordafrikas endemisch ist - einem Gebiet, welches vollständig von anderen Cataglyphis Arten gemieden wird. Die Tatsache, dass Cataglyphis eine hohe Verhaltensflexibilität aufweist, welche mit sich drastisch ändernden sensorischen Anforderungen verbunden ist, macht diese Ameisen zu besonders interessanten Studienobjekten bei der Erforschung synaptischer Plastizität visueller und olfaktorischer Gehirnzentren. Diese Arbeit fokussiert auf plastische Änderungen in den Pilzkörpern (PK) - sensorischen Integrationszentren, die mutmaßlich an Lern- und Erinnerungsprozessen, und auch vermutlich am Prozess des Landmarkenlernens beteiligt sind - und auf plastische Änderungen in den synaptischen Komplexen des Lateralen Akzessorischen Lobus (LAL) – einer bekannten Relaisstation in der Polarisations-Leitungsbahn. Um die strukturelle synaptische Plastizität der PK in C. fortis zu quantifizieren, wurden mithilfe immunozytochemischer Färbungen die prä- und postsynaptischen Profile klar ausgeprägter synaptischer Komplexe (Mikroglomeruli, MG) der visuellen Region (Kragen) und der olfaktorischen Region (Lippe) der PK-Kelche visualisiert. Die Ergebnisse legen dar, dass eine Volumenzunahme der PK-Kelche während des Übergangs von Innendiensttieren zu Fourageuren von einer Abnahme der MG-Anzahl im Kragen und, mit einem geringeren Anteil, in der Lippe - dieser Effekt wird als Pruning bezeichnet - und einem gleichzeitigen Auswachsen an Dendriten PK-intrinsischer Kenyonzellen begleitet wird. Im Dunkeln gehaltene Tiere unterschiedlichen Alters zeigen nach Lichtaussetzung den gleichen Effekt und im Dunkel gehaltene, den Fourageuren altersmäßig angepasste Tiere weisen eine vergleichbare MG-Anzahl im Kragen auf wie Innendiensttiere. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die immense strukturelle synaptische Plastizität in der Kragenregion der PK-Kelche hauptsächlich durch visuelle Erfahrungen ausgelöst wird und nicht ausschließlich mit Hilfe eines internen Programms abgespielt wird. Ameisen, welche unter Laborbedingungen bis zu einem Jahr alt wurden, zeigen eine vergleichbare Plastizität. Dies deutet darauf hin, dass das System über die ganze Lebensspanne eines Individuums flexibel bleibt. Erfahrene Fourageure wurden in Dunkelheit zurückgeführt, um zu untersuchen, ob die lichtausgelöste synaptische Umstrukturierung reversibel ist, doch ihre PK zeigen nur einige die Zurückführung widerspiegelnde Plastizitätsausprägungen, besonders eine Änderung der präsynaptischen Synapsinexprimierung. Mithilfe immunozytochemischer Färbungen, konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden die prä- und postsynaptischen Strukturen synaptischer Komplexe des LAL in C. fortis analysiert und potentielle strukturelle Änderungen bei Innendiensttieren und Fourageuren quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Komplexe aus postsynaptischen, in einer zentralen Region angeordneten Fortsätzen bestehen, welche umringt sind von einem präsynaptischen kelchartigen Profil. Eingehende und ausgehende Trakte wurden durch Farbstoffinjektionen identifiziert: Projektionsneurone des Anterioren Optischen Tuberkels kontaktieren Neurone, welche in den Zentralkomplex ziehen. Der Verhaltensübergang wird von einer Zunahme an synaptischen Komplexen um ~13% begleitet. Dieser Zuwachs suggeriert eine Art Kalibrierungsprozess in diesen potentiell kräftigen synaptischen Kontakten, welche vermutlich eine schnelle und belastbare Signalübertragung in der Polarisationsbahn liefern. Die Analyse von im Freiland aufgenommener Verhaltenweisen von C. fortis enthüllen, dass die Ameisen, bevor sie mit ihrer Fouragiertätigkeit anfangen, bis zu zwei Tage lang in unmittelbarer Nähe des Nestes Entdeckungsläufe unternehmen, welche Pirouetten ähnliche Drehungen beinhalten. Während dieser Entdeckungsläufe sammeln die Ameisen Lichterfahrung und assoziieren möglicherweise den Nesteingang mit spezifischen Landmarken oder werden anderen visuellen Informationen, wie denen des Polarisationsmusters, ausgesetzt und adaptieren begleitend ihre neuronalen Netzwerke an die bevorstehende Herausforderung. Darüber hinaus könnten die Pirouetten einer Stimulation der an der Polarisationsbahn beteiligten neuronalen Netzwerke dienen. Videoanalysen legen dar, dass Lichtaussetzung nach drei Tagen die Bewegungsaktivität der Ameisen heraufsetzt. Die Tatsache, dass die neuronale Umstrukturierung in visuellen Zentren wie auch die Veränderungen im Verhalten im selben Zeitrahmen ablaufen, deutet darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen struktureller synaptischer Plastizität und dem Verhaltensübergang von der Innendienst- zur Fouragierphase bestehen könnte. Cataglyphis besitzen hervorragende visuelle Navigationsfähigkeiten, doch sie nutzen zudem olfaktorische Signale, um das Nest oder die Futterquelle aufzuspüren. Mithilfe konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden potentielle Anpassungen der primären olfaktorischen Gehirnzentren untersucht, indem die Anzahl, Größe und räumliche Anordnung olfaktorischer Glomeruli im Antennallobus von C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, und C. noda verglichen wurde. Arbeiterinnen aller Cataglyphis-Arten haben eine geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu denen der mehr olfaktorisch-orientierten Formica Arten - einer Gattung nah verwandt mit Cataglyphis - und denen schon bekannter olfaktorisch-orientierter Ameisenarten. C. fortis hat die geringste Anzahl an Glomeruli im Vergleich zu allen anderen Cataglyphis-Arten und besitzt einen vergrößerten Glomerulus, der nahe dem Eingang des Antennennerves lokalisiert ist. C. fortis Männchen besitzen eine signifikant geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu Arbeiterinnen und Königinnen und haben einen hervorstechenden Männchen-spezifischen Makroglomerulus, welcher wahrscheinlich an der Pheromon-Kommunikation beteiligt ist. Die Verhaltensrelevanz des vergrößerten Glomerulus der Arbeiterinnen bleibt schwer fassbar. Die Tatsache, dass C. fortis Mikrohabitate bewohnt, welche von allen anderen Cataglyphis Arten gemieden werden, legt nahe, dass extreme ökologische Bedingungen nicht nur zu Anpassungen der visuellen Fähigkeiten, sondern auch des olfaktorischen Systems geführt haben. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht, dass Cataglyphis ein exzellenter Kandidat ist bei der Erforschung neuronaler Mechanismen, welche Navigationsfunktionalitäten zugrundeliegen, und bei der Erforschung neuronaler Plastizität, welche verknüpft ist mit der lebenslangen Flexibilität eines individuellen Verhaltensrepertoires. / Desert ants of the genus Cataglyphis have become model systems for the study of insect navigation. An age-related polyethism subdivides their colonies into interior workers and short-lived light-exposed foragers. While foraging in featureless and cluttered terrain over distances up to several hundred meters, the ants are able to precisely return back to their often inconspicuous nest entrance. They accomplish this enormous navigational performance by using a path integration system - including a polarization compass and an odometer - as their main navigational means in addition to landmark-dependent orientation and olfactory cues. C. fortis, being the focus of the present thesis, is endemic to the salt flats of western North Africa, which are completely avoided by other Cataglyphis species. The fact that Cataglyphis ants undergo a behavioral transition associated with drastically changing sensory demands makes these ants particularly interesting for studying synaptic plasticity in visual and olfactory brain centers. This thesis focuses on plastic changes in the mushroom bodies (MBs) - sensory integration centers supposed to be involved in learning and memory presumably including landmark learning - and in synaptic complexes belonging to the lateral accessory lobe (LAL) known to be a relay station in the polarization processing pathway. To investigate structural synaptic plasticity in the MBs of C. fortis, synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the visual (collar) and olfactory (lip) input regions of the MB calyx were immunolabeled and their pre- and postsynaptic profiles were quantified. The results show that a volume increase of the MB calyx during behavioral transition is associated with a decrease of MG number - an effect called pruning - in the collar and, less pronounced, in the lip that goes along with dendritic expansion in MB intrinsic Kenyon cells. Light-exposure of dark-reared ants of different age classes revealed similar effects and dark-reared ants age-matched to foragers had MG numbers comparable to those of interior workers. The results indicate that the enormous structural synaptic plasticity of the MB calyx collar is primarily driven by visual experience rather than by an internal program. Ants aged artificially for up to one year expressed a similar plasticity indicating that the system remains flexible over the entire life-span. To investigate whether light-induced synaptic reorganization is reversible, experienced foragers were transferred back to darkness with the result that their MBs exhibit only some reverse-type characteristics, in particular differences in presynaptic synapsin expression. To investigate the structure of large synaptic complexes in the LAL of C. fortis and to detect potential structural changes, pre- and postsynaptic profiles in interior workers and foragers were immunolabeled and quantified by using confocal imaging and 3D-reconstruction. The results show that these complexes consist of postsynaptic processes located in a central region that is surrounded by a cup-like presynaptic profile. Tracer injections identified input and output tracts of the LAL: projection neurons from the anterior optic tubercle build connections with neurons projecting to the central complex. The behavioral transition is associated with an increase by ~13% of synaptic complexes suggesting that the polarization pathway may undergo some sort of calibration process. The structural features of these synaptic contacts indicate that they may serve a fast and reliable signal transmission in the polarization vision pathway. Behavioral analyses of C. fortis in the field revealed that the ants perform exploration runs including pirouette-like turns very close to the nest entrance for a period of up to two days, before they actually start their foraging activity. During these orientation runs the ants gather visual experience and might associate the nest entrance with specific landmarks or get entrained to other visual information like the polarization pattern, and, concomitantly adapt their neuronal circuitries to the upcoming challenges. Moreover, the pirouettes may serve to stimulate and calibrate the neuronal networks involved in the polarization compass pathway. Video recordings and analyses demonstrate that light experience enhanced the ants’ locomotor activity after three days of exposure. The fact that both the light-induced behavioral and neuronal changes in visual brain centers occur in the same time frame suggests that there may be a link between structural synaptic plasticity and the behavioral transition from interior tasks to outdoor foraging. Desert ants of the genus Cataglyphis possess remarkable visual navigation capabilities, but also employ olfactory cues for detecting nest and food sites. Using confocal imaging and 3D-reconstruction, potential adaptations in primary olfactory brain centers were analyzed by comparing the number, size and spatial arrangement of olfactory glomeruli in the antennal lobe of C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, and C. noda. Workers of all Cataglyphis species have smaller numbers of glomeruli compared to those of more olfactory-guided Formica species - a genus closely related to Cataglyphis - and to those previously found in other olfactory-guided ant species. C. fortis has the lowest number of glomeruli compared to all other species, but possesses a conspicuously enlarged glomerulus that is located close to the antennal nerve entrance. Males of C. fortis have a significantly smaller number of glomeruli compared to female workers and queens and a prominent male-specific macroglomerulus likely to be involved in sex pheromone communication. The behavioral significance of the enlarged glomerulus in female workers remains elusive. The fact that C. fortis inhabits microhabitats that are avoided by all other Cataglyphis species suggests that extreme ecological conditions may not only have resulted in adaptations of visual capabilities, but also in specializations of the olfactory system. The present thesis demonstrates that Cataglyphis is an excellent candidate for studying the neuronal mechanisms underlying navigational features and for studying neuronal plasticity associated with the ant’s lifelong flexibility of individual behavioral repertoires.

Desert ants of the genus Cataglyphis (Formicinae) are widely distributed in arid areas of the palearctic ecozone. Their habitats range from relatively cluttered environments in the Mediterranean area to almost landmark free deserts. Due to their sophisticated navigational toolkit, mainly based on the sky-compass, they were studied extensively for the last 4 decades and are an exceptional model organism for navigation. Cataglyphis ants exhibit a temporal polyethism: interior workers stay inside the dark nest and serve as repletes for the first ∼2 weeks of their adult life (interior I). They then switch to nursing and nest maintenance (interior II) until they transition to become day-active outdoor foragers after ∼4 weeks. The latter switch in tasks involves a transition phase of ∼2-3 days during which the ants perform learning and orientation walks. Only after this last phase do the ants start to scavenge for food as foragers. In this present thesis I address two main questions using Cataglyphis desert ants as a model organism: 1. What are the underlying mechanisms of temporal polyethism? 2. What is the neuronal basis of sky-compass based navigation in Cataglyphis ants? Neuropeptides are important regulators of insect physiology and behavior and as such are promising candidates regarding the regulation of temporal polyethism in Cataglyphis ants. Neuropeptides are processed from large precursor proteins and undergo substantial post-translational modifications. Therefore, it is crucial to biochemically identify annotated peptides. As hardly any peptide data are available for ants and no relevant genomic data has been recorded for Cataglyphis, I started out to identify the neuropeptidome of adult Camponotus floridanus (Formicinae) workers (manuscript 1). This resulted in the first neuropeptidome described in an ant species – 39 neuropeptides out of 18 peptide families. Employing a targeted approach, I identified allatostatin A (AstA), allatotropin (AT), short neuropeptide F (sNPF) and tachykinin (TK) using mass spectrometry and immunohistology to investigate the distribution of AstA, AT and TK in the brain (manuscript 2). All three peptides are localized in the central complex, a brain center for sensory integration and high-order control of locomotion behavior. In addition, AstA and TK were also found in visual and olfactory input regions and in the mushroom bodies, the centers for learning and memory formation. Comparing the TK immunostaining in the brain of 1, 7 and 14 days old dark kept animals revealed that the distribution in the central complex changes, most prominently in the 14 day old group. In the Drosophila central complex TK modulates locomotor activity levels. I therefore hypothesize that TK is involved in the internal regulation of the interior I–interior II transition which occurs after ∼2 weeks of age. I designed a behavioral setup to test the effect of neuropeptides on the two traits: ’locomotor activity level’ and ’phototaxis’ (manuscript 3). The test showed that interior I ants are less active than interior II ants, which again are less active than foragers. Furthermore, interior ants are negatively phototactic compared to a higher frequency of positive phototaxis in foragers. Testing the influence of AstA and AT on the ants’ behavior revealed a stage-specific effect: while interior I behavior is not obviously influenced, foragers become positively phototactic and more active after AT injection and less active after AstA injection. I further tested the effect of light exposure on the two behavioral traits of interior workers and show that it rises locomotor activity and results in decreased negative phototaxis in interior ants. However, both interior stages are still more negatively phototactic than foragers and only the activity level of interior II ants is raised to the forager level. These results support the hypothesis that neuropeptides and light influence behavior in a stage-specific manner. The second objective of this thesis was to investigate the neuronal basis of skycompass navigation in Cataglyphis (manuscript 4). Anatomical localization of the sky-compass pathway revealed that its general organization is highly similar to other insect species. I further focused on giant synapses in the lateral complex, the last relay station before sky-compass information enters the central complex. A comparison of their numbers between newly eclosed ants and foragers discloses a rise in synapse numbers from indoor worker to forager, suggesting task-related synaptic plasticity in the sky-compass pathway. Subsequently I compared synapse numbers in light preexposed ants and in dark-kept, aged ants. This experiment showed that light as opposed to age is necessary and sufficient to trigger this rise in synapse number. The number of newly formed synapses further depends on the spectral properties of the light to which the ants were exposed to. Taken together, I described neuropeptides in C. floridanus and C. fortis, and provided first evidence that they influence temporal polyethism in Cataglyphis ants. I further showed that the extent to which neuropeptides and light can influence behavior depends on the animals’ state, suggesting that the system is only responsive under certain circumstances. These results provided first insight into the neuronal regulation of temporal polyethism in Cataglyphis. Furthermore, I characterized the neuronal substrate for sky-compass navigation for the first time in Cataglyphis. The high level of structural synaptic plasticity in this pathway linked to the interior–forager transition might be particularly relevant for the initial calibration of the ants’ compass system. / Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis sind weit verbreitet in ariden Gebieten der paläarktischen Ökozone. Die von ihnen bewohnten Habitate reichen von landmarkenreichen Arealen im Mittelmeerraum, zu beinahe landmarkenfreien Wüstengebieten. Aufgrund ihres hochentwickelten Navigationssystems, welches größtenteils auf dem Himmelskompass basiert, wurden sie in den letzten 4 Jahrzehnten extensiv studiert und sind ein einzigartiges Modellsystem für Navigation. Cataglyphis weisen einen alterskorrelierten Polyethismus auf: Innendienstler dienen als Speichertiere für die ersten ∼2 Wochen ihres adulten Lebens (Interior I). Sie gehen daraufhin zu Brutpflege und Nestbau (Interior II) über bis sie nach ∼4 Wochen zu tagaktiver Furagiertätitkeit außerhalb ihres Nestes wechseln. Dieser letzte Übergang dauert ∼2-3 Tage und wird von den Ameisen genutzt, um Lernund Orientierungsläufe durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit befasse ich mich vor allem mit zwei Fragen, die ich mit Hilfe von Cataglyphis als Modellorganismus beantworten möchte: 1. Welches sind die zugrunde liegenden Mechanismen des Alterspolyethismus? 2. Was ist die neuronale Grundlage von Navigation, die auf dem Himmelskompass basiert? Neuropeptide sind bedeutende Regulatoren der Physiologie und des Verhaltens von Insekten und als solche vielversprechende Kandidaten im Hinblick auf die Regulation des Alterspolyethismus in Cataglyphis Ameisen. Neuropeptide werden aus größeren Vorläuferproteinen herausgeschnitten und posttranslational stark modifiziert. Daher ist es wichtig, annotierte Peptide auch biochemisch zu identifizieren. Da für Ameisen kaum Peptiddaten zur Verfügung stehen und es zudem keine relevanten genomischen Daten für Cataglyphis gibt, identifizierte ich zunächst das Neuropeptidom adulter Camponotus floridanus (Formicinae) Arbeiterinnen (Manuskript 1). Daraus resultierte das erste Neuropeptidom, das für eine Ameisenart beschrieben wird—39 Neuropeptide aus 18 Peptidfamilien. In einer weiteren Studie identifizierte ich gezielt die Neuropeptidfamilien Allatostatin A (AstA), Allatotropin (AT), das kurze Neuropeptid F (sNPF) und Tachykinin (TK) mittels Massenspektroskopie und untersuchte die Verteilung von AstA, AT und TK im Gehirn mit Hilfe der Immunhistologie (Manuskript 2). Alle drei Peptide sind im Zentralkomplex lokalisiert, dem Gehirnzentrum welches sensorische Eingänge integriert und in einer übergeordneten Rolle Lokomotorverhalten steuert. AstA und TK sind zudem in den visuellen und olfaktorischen Eingangsregionen, sowie den Pilzkörpern, den Zentren für Lernen und Gedächtnisbildung, zu finden. Ein Vergleich der TK-Immunfärbung im Gehirn von 1, 7 und 14 Tage alten im Dunkeln gehaltenen Tieren zeigt, dass sich die Verteilung im Zentralkomplex verändert— dies ist besonders prominent in der 14 Tage alten Gruppe. In Drosophila moduliert TK im Zentralkomplex Lokomotoraktivität. Basierend darauf stelle ich die Hypothese auf, dass TK in der internen Regulierung des Übergangs von Interior I zu Interior II involviert ist, welchen die Tiere im Alter von ∼2 Wochen durchlaufen. Für eine dritte Studie konstruierte ich ein Verhaltenssetup um den Einfluss von Neuropeptiden und Licht auf die beiden Verhaltensmerkmale ’Lokomotoraktivität’ und ’Phototaxis’ zu testen (Manuskript 3). Der Test zeigte, dass Interior I Ameisen weniger aktiv sind als Interior II Ameisen, welche wiederum weniger aktiv sind als Furageure. Zudem sind Interior Ameisen negativ phototaktisch, verglichen mit einer häufiger zu beobachtenden positiven Phototaxis bei Furageuren. Im Test zeigte sich auch, dass der Einfluss von AstA und AT stadiumsspezifisch ist: während das Verhalten von Interior I Tieren nicht offensichtlich beeinflusst wird, werden Furageure durch die Injektion von AT positiv phototaktisch, sowie aktiver und AstA-Injektion führt zu geminderter Lokomotoraktivität. Darüber hinaus testete ich den Lichteinfluss auf beide Verhaltensmerkmale in den Innendienststadien und zeige, dass er Lokomotoraktivität steigert und in einer geminderten negativen Phototaxis resultiert. Beide Innendienststadien sind jedoch weiterhin negativer phototaktisch als Furageure und nur die Lokomotoraktivtät von Interior II Ameisen wird auf das Niveau von Furageuren angehoben. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass Neuropeptide und Licht stadiumsspezifisch Verhalten beeinflussen. Der zweite Aspekt dieser Thesis war es, die neuronale Grundlage der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis aufzuklären (Manuskript 4). Die neuroanatomische Lokalisation der Himmelskompasssehbahn zeigt, dass die allgemeine Organisation dieser neuronalen Bahn der bei bisher untersuchten anderen Insekten stark ähnelt. Ich habe mich daraufhin auf Riesensynapsen im lateralen Komplex konzentriert, der letzten Verschaltungsstation ehe die Himmelskompassinformation in den Zentralkomplex übertragen wird. Ein Vergleich zwischen der Synapsenzahl in frisch geschlüpfte Ameisen und erfahrenen Furageueren zeigte einen Anstieg der Synapsenzahl von Innendienst zu Furaguer, was aufgabenabhängige synaptische Plastizität in der Himmelskompasssehbahn suggeriert. In einem weiteren Versuch verglich ich die Riesensynapsenzahlen lichtexponierter Tiere und dunkel gehaltener, gealteter Tiere. Dieses Experiment zeigte, dass der Zuwachs an Riesensynapsen durch den Lichteinfluss ausgelöst wird und keinen altersabhängigen Prozess darstellt. Zudem verändert sich die Anzahl der neu gebildeten Riesensynapsen in Abhängigkeit von den spektralen Eigenschaften des Lichts, dem die Ameisen ausgesetzt sind. Zusammengefasst beschrieb ich in dieser Thesis Neuropeptide in C. floridanus und Cataglyphis und lieferte erste Evidenz, dass diese den Alterspolyethismus in Cataglyphis beeinflussen. Zudem zeigte ich, dass das Ausmaß in dem Neuropeptide und Lichtexposition Verhalten beeinflussen können, stadiumsspezifisch ist. Dies suggeriert, dass das System nur unter bestimmten Bedingungen auf externe Einflüsse reagiert. Diese Ergebnisse lieferten erste wichtige Einblicke in die neuronale Grundlage von Alterspolyethismus in Cataglyphis. Zudem charakterisierte ich erstmals das neuronale Substrat der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis. Das hohe Maß an synaptischer Plastizität in dieser Sehbahn beim Übergang von Innenzu Außendienst, könnte besondere Relevanz für die initiale Kalibrierung des Kompasssystems haben.

The desert ant Cataglyphis fortis is one of the hyperthermophilic species of Cataglyphis. It lives in the Sahara desert and forages during the hottest hours of the day when it can get up to 70˚C in the sand. The body temperature of the ant during the foraging runs can reach a maximum of 55˚C. Since C.fortis is one of few eukaryotic hyperthermophilic species, its proteins probably have a high thermostability. Investigating the thermostability can give valuable information about the principles of protein folding and stability in hyperthermophiles.Fatty acid binding proteins (FABPs) have an important role in the cell taking up and transporting fatty acids and regulating metabolic and inflammatory pathways. FABPs have been extensively studied and structures from several species have been determined. The determined structures of all FABPs are very similar why thermostability studies of FABP from C.fortis are highly relevant.Fluorescence spectroscopy is an easy and fast method to measure intrinsic protein fluorescence. Tryptophans were genetically introduced into three different positions in FABP to be used as environmental sensitive probes. Complementing the measurement results with a model of the 3D structure of FABP from C.fortis gave additional information about the ligand binding.The (local) thermostability of the mutants can be detected by shift in wavelength maximum during temperature ramping experiments. All mutants are stabilised in the presence of fatty acids. The mutant with tryptophan positioned closest to the supposed ligand binding residues (Y11W) is most affected. The mutant with tryptophan situated farthest from the supposed binding residues (Y52W) shows a stabilisation of Tm less evident than for Y11W. Thus, the structural changes following fatty acid binding are more obvious in the environment close to the binding site.However, the third mutant C87W shows no significant stabilisation although positioned closer to the fatty acid binding site than Y52. This is probably due to the size difference between the original and introduced amino acid in the mutation. Since the high value of the starting λmax for C87W implies that C87W is quite exposed to the aqueous solvent, the residue is likely to not have subsumed in the protein tertiary structure.Further, the myristic acid stabilise the melting temperature of all the mutants while octanoic acid only has a local effect of Y11W increasing the cooperativity. This implies different binding properties and that myristic acid stabilise the entire protein while octanoic acid only has a local stabilisation effect around the ligand binding site.

Wüstenameisen (Cataglyphis fortis) orientieren sich mittels Wegintegration sowie, in visuell abwechslungsreichem Gelände, anhand von Landmarken. In der vorliegenden Arbeit wurden in Verhaltensexperimenten die Orientierungsmechanismen von C. fortis im Kontext dreidimensionaler Routen untersucht. 1. Wüstenameisen sind in der Lage, Steigungen und Gefälle eines dreidimensionalen Laufs mit den korrespondierenden Grunddistanzen in ihren Heimvektor zu integrieren. Hierdurch bleibt eine zweidimensionale Wegintegration selbst in hügeligem Gelände akkurat. 2. Entlang bekannter Routen werden Eigenschaften eines Aufstiegs wie Winkel und Länge gespeichert. Wenn Auf- und Abstiege nur auf dem Hinweg zu einer Futterquelle auftreten, werden sie trotzdem auch auf dem Rückweg akzeptiert. 3. Erfolgreiche Aufstiege führen zu einer neu erlernten, generellen Akzeptanz von Rampen, selbst wenn ihr Auftreten inkongruent mit dem aktuell erlernten Lauf ist. 4. Haben Wüstenameisen im Test die Wahl zwischen einem Auf- bzw. Abstieg und einem horizontalen Kanal, entscheiden sie sich häufiger für die Rampen und legen auf ihnen größere Distanzen zurück, wenn auch das vorherige Training geneigte Streckenabschnitte besaß. Dies gilt auch, wenn die Kombination eines Auf- und Abstiegs im Training einen horizontalen Vektor zur Folge hatte. Die Reihenfolge von Auf- und Abstiegen wird jedoch nicht gespeichert, ebenso wenig die Distanz einer Rampe von Nest und Futterstelle. 5. Erzwungene vertikale Ablenkungen im Lauf einer Ameise werden nicht kompensiert. Der Heimvektor besitzt demnach keine vertikale Komponente, sondern funktioniert auf Basis der Korrektur geneigter Wegstrecken zu ihren entsprechenden Grunddistanzen. Cataglyphis fortis verfügt demnach nicht über eine tatsächlich dreidimensionale Repräsentation ihrer Routen. Stattdessen ermöglicht ihr wahrscheinlich das Zusammenspiel einer Reihe einfacherer Navigationsmechanismen eine genaue Orientierung auch in hügeligem Terrain. / Desert ants (Cataglyphis fortis) orientate by means of path integration, and the use of landmarks, if available. In this thesis, behavioural experiments were conducted to elucidate C. fortis’ orientation mechanisms in the context of three-dimensional routes. 1 Along a three-dimensional route, desert ants are able to incorporate the ground distances of slopes into their home vector. Thus, two-dimensional path integration remains accurate also in hilly terrain. 2 Along familiar routes, ants store and recall a slope’s properties such as inclination and length. Even if ascents and descents only occur on the outbound trip, they are also accepted on the homebound run nevertheless. 3 Successful ascents result in a newly learnt, general acceptance of ramps, even if their occurrence is incongruent with a currently learnt route. 4 Given that desert ants can choose between a horizontal continuation of a channel and a ramp, they decide more often to walk on ramps if earlier training included sloped path segments, and continue to walk on them for greater distances. This is also the case if a combination of an ascent and descent results in a horizontal home vector during training. Neither their sequence nor the distance of a ramp from nest and feeder is stored and subsequently recalled. 5 Forced vertical detours in an ant’s run are not compensated for. The home vector consequently possesses no vertical component, and instead is functional due to the correction of sloped path segments to their respective ground distances. In summary, three-dimensional orientation in C. fortis is carried out by the combination of several mechanisms, namely (1) a global vector that corresponds to a plane projection of a route in the horizontal plane; (2) behavioural rules that are generally learnt; and (3) the storing and recollection of specific information along familiar routes.