Zugl.: Saarbrücken, University, Diss., 2008.

Würzburg, University, Diss., 2008.

Hamburg, Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Fakultät DMI, Dipl.-Arb., 2006.

Past experience contributes to behavioural organization mainly via learning: Animals learn otherwise ordinary cues as predictors for biologically significant events. This thesis studies such predictive, associative learning, using the fruit fly Drosophila melanogaster. I ask two main questions, which complement each other: One deals with the processing of those cues that are to be learned as predictors for an important event; the other one deals with the processing of the important event itself, which is to be predicted. Do fruit flies learn about combinations of olfactory and visual cues? I probe larval as well as adult fruit flies for the learning about combinations of olfactory and visual cues, using a so called ‘biconditional discrimination’ task: During training, one odour is paired with reinforcement only in light, but not in darkness; the other odour in turn is reinforced only in darkness, but not in light. Thus, neither the odours nor the visual conditions alone predict reinforcement, only combinations of both do. I find no evidence that either larval or adult fruit flies were to solve such task, speaking against a cross-talk between olfactory and visual modalities. Previous studies however suggest such cross-talk. To reconcile these results, I suggest classifying different kinds of interaction between sensory modalities, according to their site along the sensory-motor continuum: I consider an interaction ‘truly’ cross-modal, if it is between the specific features of the stimuli. I consider an interaction ’amodal’ if it instead engages the behavioural tendencies or ‘values’ elicited by each stimulus. Such reasoning brings me to conclude that different behavioural tasks require different kinds of interaction between sensory modalities; whether a given kind of interaction will be found depends on the neuronal infrastructure, which is a function of the species and the developmental stage. Predictive learning of pain-relief in fruit flies Fruit flies build two opposing kinds of memory, based on an experience with electric shock: Those odours that precede shock during training are learned as predictors for punishment and are subsequently avoided; those odours that follow shock during training on the other hand are learned as signals for relief and are subsequently approached. I focus on such relief learning. I start with a detailed parametric analysis of relief learning, testing for reproducibility as well as effects of gender, repetition of training, odour identity, odour concentration and shock intensity. I also characterize how relief memories, once formed, decay. In addition, concerning the psychological mechanisms of relief learning, first, I show that relief learning establishes genuinely associative conditioned approach behaviour and second, I report that it is most likely not mediated by context associations. These results enable the following neurobiological analysis of relief learning; further, they will form in the future the basis for a mathematical model; finally, they will guide the researchers aiming at uncovering relief learning in other experimental systems. Next, I embark upon neurogenetic analysis of relief learning. First, I report that fruit flies mutant for the so called white gene build overall more ‘negative’ memories about an experience with electric shock. That is, in the white mutants, learning about the painful onset of shock is enhanced, whereas learning about the relieving offset of shock is diminished. As they are coherently affected, these two kinds of learning should be in a balance. The molecular mechanism of the effect of white on this balance remains unresolved. Finally, as a first step towards a neuronal circuit analysis of relief learning, I compare it to reward learning and punishment learning. I find that relief learning is distinct from both in terms of the requirement for biogenic amine signaling: Reward and punishment are respectively signalled by octopamine and dopamine, for relief learning, either of these seem dispensible. Further, I find no evidence for roles for two other biogenic amines, tyramine and serotonin in relief learning. Based on these findings I give directions for further research. / Vergangene Ereignisse beeinflussen die Organisation des Verhaltens hauptsächlich durch das Lernen: Tiere lernen natürlich vorkommende neutrale Reize als Signal für biologisch relevante Ereignisse zu nutzen. Diese Dissertation befasst sich mit derartigen assoziativen Lernvorgängen bei der Taufliege Drosophila melanogaster. Ich stelle zwei, sich ergänzende, grundlegende Fragen: Die eine Frage beschäftigt sich mit der Verarbeitung von Reizen, die als Signal für ein wichtiges Ereignis erlernt werden. Die andere Frage behandelt die Verarbeitung des Ereignisses selbst. Lernen Taufliegen etwas über Kombinationen von olfaktorischen und visuellen Reizen? Sowohl bei larvalen, als auch bei adulten Taufliegen wird das Lernen von Kombinationen aus olfaktorischen und visuellen Stimuli untersucht. Ich verwende einen sogenannten „bikonditionalen Diskriminierungs-Versuchsaufbau“: Während des Trainings wird ein Duft nur im Licht und nicht im Dunkeln mit Reinforcement kombiniert, während ein anderer Duft nur im Dunkeln und nicht im Licht mit Reinforcement kombiniert wird. Somit signalisieren weder die Düfte, noch die visuellen Bedingungen allein das Reinforcement, sondern nur eine Kombination aus Beiden. Ich finde keine Beweise dafür, dass larvale oder adulte Taufliegen eine solche Aufgabe lösen können. Dies spricht gegen eine Interaktion zwischen olfaktorischen und visuellen Modalitäten. Allerdings weisen frühere Studien auf derartige Interaktionen hin. Um meine Ergebnisse mit den bekannten Studien in Einklang zu bringen, ordne ich die unterschiedlichen Interaktionen zwischen den sensorischen Modalitäten nach ihrer Lage entlang des sensorisch-motorischen Kontinuums: Ich bezeichnen eine Interaktion für „echt“ cross-modal, wenn sie zwischen den spezifischen Eigenschaften der beiden Reize stattfindet. Ich halte eine Interaktion für „amodal“, wenn sie zwischen den von den Reizen induzierten Verhaltenstendenzen und „Werten“ stattfindet. Aufgrund dieser Argumentation komme ich zu der Schlussfolgerung, dass unterschiedliche Verhaltensaufgaben unterschiedliche Interaktionen zwischen den sensorischen Modalitäten erfordern. Ob eine Art von Interaktion gefunden wird oder nicht hängt von der neuronalen Vernetzung ab, welche charakteristisch für Art und Entwicklungsstadium ist. Assoziatives Lernen von Schmerz-Erleichterung bei Taufliegen Taufliegen entwickeln zwei unterschiedliche Arten von Gedächtnissen basierend auf Erfahrung mit Elektro-Schock: Düfte, die während des Trainings dem Schock vorausgehen, werden als Bestrafungssignale gelernt und deshalb vermieden. Düfte, die während des Trainings auf den Schock folgen, werden als Erleichterungssignale gelernt und deshalb bevorzugt. Ich beschäftige mich mit der zweiten Art dieses assoziativen Lernens, das ich als „Erleichterungslernen“ bezeichne. Ich beginne mit einer detaillierten parametrischen Analyse des Erleichterungslernens. Die Reproduzierbarkeit, sowie die Einflüsse des Geschlechts, der Anzahl an Trainingswiederholungen, der Duftintensität, der Duftkonzentration und der Schockintensität werden geprüft. Ich teste, wie das Erleichterungsgedächtnis, nachdem es gebildet wurde, wieder gelöscht wird. Des Weiteren gehe ich zwei wichtigen Fragen zu den psychologischen Mechanismen des Erleichterungslernen nach: Zum einen zeige ich, dass das Erleichterungslernen echtes assoziativ konditioniertes Annäherungsverhalten etabliert. Zum anderen zeige ich, dass vorausgegangenes Kontext-Schock Training das folgende Erleichterungslernen nicht beeinflusst. Das Erleichterungslernen wird also nicht durch Kontextassoziation vermittelt. Diese Ergebnisse erlauben die folgende neurobiologische Analyse des Erleichterungslernens. Außerdem werden sie in Zukunft als Grundlage für ein mathematisches Modell des Erleichterungslernens dienen. Schließlich werden die Forscher/innen, die das Erleichterungslernen in anderen experimentellen Systemen untersuchen, von diesen parametrischen Erkenntnissen profitieren. In einer neurobiologischen Analyse des Erleichterungslernens zeige ich, dass der Verlust der Funktion des sogenannten white Gens die beiden unterschiedlichen Arten von Schock-Induziertem Lernen zusammenhängend beeinflusst: Das Bestrafungslernen wird verstärkt und das Erleichterungslernen wird abgeschwächt. Auf Grund dieses Ergebnisses schlagen ich vor, dass sich diese zwei Arten von Lernen in einem Gleichgewicht befinden sollen, welches vom white Gen beeinflusst wird. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen eines solchen Gleichgewichts sind noch nicht bekannt. Schließlich vergleiche ich das Erleichterungslernen mit dem Belohnungslernen und dem Bestrafungslernen. Ich zeige, dass das Erleichterungslernen anders ist als beide: Bestrafung und Belohnung werden entsprechend von Dopamin und Octopamin vermittelt. Für das Erleichterungslernen sind beide diese biogenen Aminen unnötig. Ebenso finde ich beim Erleichterungslernen keinen Beleg für die Rolle von zwei weiteren Aminen: Tyramin und Serotonin. Aufgrund dieser Ergebnisse schlage ich vor weitere Forschungsrichtungen.

This thesis consists of three major chapters, each of which has been separately published or under the process for publication. The first chapter is about anatomical characterization of the mushroom body of adult Drosophila melanogaster. The mushroom body is the center for olfactory learning and many other functions in the insect brains. The functions of the mushroom body have been studied by utilizing the GAL4/UAS gene expression system. The present study characterized the expression patterns of the commonly used GAL4 drivers for the mushroom body intrinsic neurons, Kenyon cells. Thereby, we revealed the numerical composition of the different types of Kenyon cells and found one subtype of the Kenyon cells that have not been described. The second and third chapters together demonstrate that the multiple types of dopaminergic neurons mediate the aversive reinforcement signals to the mushroom body. They induce the parallel memory traces that constitute the different temporal domains of the aversive odor memory. In prior to these chapters, “General introduction and discussion” section reviews and discuss about the current understanding of neuronal circuit for olfactory learning in Drosophila. / Diese Dissertation umfasst drei Kapitel. Das erste Kapitel handelt von der anatomischen Charakterisierung des Pilzkörpers in adulten Drosophila melanogaster. Der Pilzkörper ist das Zentrum für olfaktorisches Lernen und viele andere Funktionen im Insektengehirn. Diese wurden mit Hilfe des GAL4/UAS Genexpressionssystems untersucht. Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Expressionsmuster der gewöhnlich verwendeten GAL4 Treiberlinien für die Pilzkörperintrinsischen Neurone, den Kenyonzellen. Dabei zeigten ich die zahlenmäßige Zusammensetzung der unterschiedlichen Kenyonzelltypen und fanden einen Kenyonzellsubtyp, welcher bisher noch nicht beschrieben wurde. Das zweite und dritte Kapitel zeigen, dass verschiedene Typen dopaminerger Neurone aversive Verstärkungssignale (Unkonditionierte Stimuli) zum Pilzkörper übermitteln. Sie induzieren parallele Gedächtnisspuren, welche den unterschiedlichen zeitlichen Komponenten von aversivem Duftgedächtnis zugrunde liegen. Vor diesen Kapiteln enthält der Abschnitt „General introduction and discussion” einen Überblick und eine Diskussion über das derzeitige Verständnis des neuronalen Netzwerks, welches olfaktorischem Lernen in Drosophila zugrunde liegt.

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.

All animals learn in order to cope with challenges imposed on them by their environment. This is true also for both larval and adult fruit flies as exemplified in pavlovian conditioning. The focus of this Thesis is on various aspects of the fruit flies learning ability. My main project deals with two types of learning which we call punishment-learning and pain-relief learning. Punishment learning happens when fruit flies are exposed to an odour which is followed by electric shock. After such training, flies have learned that that odour signals pain and consequently will avoid it in the future. If the sequence of the two stimuli is reversed such that odour follows shock, flies learn the odour as a signal for relief and will later on approach it. I first report a series of experiments investigating qualitative and parametric features of relief-learning; I find that (i) relief learning does result from true associative conditioning, (ii) it requires a relatively high number of training trials, (iii) context-shock training is ineffective for subsequent shock-odour learning. A further question is whether punishment-learning and pain-relief learning share genetic determinants. In terms of genetics, I test a synapsin mutant strain, which lacks all Synapsin protein, in punishment and relief-learning. Punishment learning is significantly reduced, and relief-learning is abolished. Pan-neuronal RNAi-mediated knock-down of Synapsin results in mutant-like phenotypes, confirming the attribution of the phenotype to lack of Synapsin. Also, a rescue of Synapsin in the mushroom body of syn97 mutants restores both punishment- and relief-learning fully, suggesting the sufficiency of Synapsin in the mushroom body for both these kinds of learning. I also elucidate the relationship between perception and physiology in adult fruit flies. I use odour-shock conditioning experiments to identify degrees of similarity between odours; I find that those similarity measures are consistent across generalization and discrimination tasks of diverse difficulty. Then, as collaborator of T. Völler and A. Fiala, I investigate how such behavioural similarity/dissimilarity is reflected at the physiological level. I combine the behaviour data with calcium imaging data obtained by measuring the activity patterns of those odours in either the sensory neurons or the projection neurons at the antennal lobe. Our interpretation of the results is that the odours perceptual similarity is organized by antennal lobe interneurons. In another project I investigate the effect of gustatory stimuli on reflexive behaviour as well as their role as reinforcer in larval learning. Drosophila larvae greatly alter their behaviour in presence of sodium chloride. Increasing salt concentration modulates choice behaviour from weakly appetitive to strongly aversive. A similar concentration-behaviour function is also found for feeding: larval feeding is slightly enhanced in presence of low salt concentrations, and strongly decreased in the presence of high salt concentrations. Regarding learning, relatively weak salt concentrations function as appetitive reinforcer, whereas high salt concentrations function as aversive reinforcer. Interestingly, the behaviour-concentration curves are shifted towards higher concentrations from reflexive behaviour (choice behaviour, feeding) as compared to associative learning. This dissociation may reflect a different sensitivity in the respective sensory-motor circuitry. / Tiere müssen lernen, damit sie sich in ihrer Umwelt zurechtfinden und die Herausforderungen meistern können, die ihre Umwelt ihnen bietet. Dies gilt auch für Taufliegen im larvalen und erwachsenen Stadium, wie man mit der Pavlovschen Konditionierung zeigen kann. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit liegt auf verschiedenen Aspekten der Lernfähigkeit von Taufliegen. In meinem Hauptprojekt erforsche ich die Arten von Lernprozessen, die stattfinden, wenn die Fliegen entweder den Beginn oder das Ende eines Elektroschocks mit einem Duft assoziieren. Wenn Taufliegen einen Duft wahrnehmen, der von einem Elektroschock gefolgt wird, lernen sie, dass dieser Duft Schmerz signalisiert, und werden ihn konsequenterweise in Zukunft vermeiden. Man kann die Abfolge dieser beiden Reize so umkehren, dass der Duft auf den Elektroschock folgt. Durch ein solches Training wird der Duft für die Fliegen zu einem Signal für das Ende des schmerzhaften Elektroschocks und sie werden, wenn sie diesen Duft später wieder einmal wahrnehmen, auf ihn zugehen. Ich berichte im ersten Kapitel über Experimente, die qualitative und parametrische Besonderheiten der letzteren Lernform untersuchen. Ich finde heraus, dass (i) das Lernen über das Ende des Elektroschocks echtes assoziatives Lernen ist, (ii) dass es eine relativ hohe Anzahl von Trainingsdurchgängen erfordert, (iii) dass Kontext-Schock-Training unbedeutend für anschließendes Schock-Duft-Lernen ist. Im zweiten Kapitel gehe ich der Frage nach, ob die genannten beiden Typen von Lernvorgängen gemeinsame genetische Determinanten haben. Was die Genetik anbelangt, teste ich die Lernfähigkeit eines Synapsin-Mutantenstammes, dem das Synapsinprotein fehlt. Lernen über den Beginn des Elektroschocks ist stark reduziert, und Lernen über das Ende des Elektroschocks fehlt gänzlich. Die Reduzierung des Synapsinproteins im Fliegengehirn durch RNAi resultiert in mutantenähnlichen Phänotypen. Dieser Befund bestätigt, dass der Lernphänotyp auf einem Mangel an Synapsin beruht. Die Expression von Synapsin im Pilzkörper der Mutante erlaubt der Fliege, wieder normal zu lernen; dies weist auf die Hinlänglichkeit von Synapsin im Pilzkörper für beide Arten von Lernen hin. In einem weiteren Projekt untersuche ich den Zusammenhang zwischen Wahrnehmung und Physiologie in erwachsenen Taufliegen. Ich benutze Duft-Schock-Konditionierungsexperimente, um basierend auf dem Verhalten der Tiere Ähnlichkeitsränge von Düften zu ermitteln, und finde eine einheitliche Rangfolge der untersuchten Düfte für verschiedene Generalisierungs- und Diskriminierungs-Aufgaben von unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad. Schließlich erforsche ich in Kooperation mit T. Völler and A. Fiala, wie der Grad der Verhaltensähnlichkeit /-unähnlichkeit von Düften mit der Physiologie der Fliege in Beziehung steht. Ich kombiniere die Verhaltensdaten mit Daten, die mittels funktioneller Bildgebung unter Verwendung genetisch codierter Kalziumsensoren erhalten wurden. Diese Methode erlaubt, Aktivitätsmuster, die von den untersuchten Düften verursacht werden, entweder in den sensorischen Neuronen oder in den Projektionsneuronen des Antennallobus zu messen. Unsere Interpretation der Ergebnisse ist, dass die Verhaltensähnlichkeit der Düfte auf Ebene der Interneuronen im Antennallobus organisiert wird. Weiterhin erforsche ich die Wirkung von Kochsalz (Natriumchlorid) auf das Reflexverhalten und die Rolle von Natriumchlorid als Belohnung oder Bestrafung im Larvenlernen. Larven der Taufliege verändern ihr Reflexverhalten in Gegenwart von Natriumchlorid in hohem Maße. Larven bevorzugen niedrige Salzkonzentrationen gegenüber einem Substrat ohne Salz; erhöht man die Salzkonzentration jedoch, kehrt sich das Wahlverhalten ins Gegenteil um, bis die Tiere das salzhaltige Substrat stark vermeiden. Ein ähnlicher Zusammenhang zwischen Konzentration und Verhalten wird auch für das Fressverhalten gefunden: Larven fressen von einem Substrat mit niedrigen Salzkonzentrationen geringfügig mehr, von einem Substrat mit hohen Salzkonzentrationen jedoch deutlich weniger als von einem Kontrollsubstrat ganz ohne Salz. Was das Lernen betrifft, wirken relativ schwache Salzkonzentrationen als Belohnung, während hohe Salzkonzentrationen als Bestrafung wirken. Interessanterweise ist die Verhaltens-Konzentrations-Kurve von Reflexverhalten (Wahlverhalten, Fressverhalten) verglichen mit assoziativem Lernen in Richtung höherer Konzentrationen verschoben. Diese Dissoziation könnte eine verschiedenartige Sensitivität der Schaltkreise widerspiegeln.

Zugl.: Mannheim, Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Potsdam, Universiẗat, Diss., 2004.