Ants belong to the most successful insects living on our planet earth. One criterion of their tremendous success is the division of labor among workers that can be related to age (age¬– or temporal polyethism) and/ or body size (size–related polymorphism). Young ants care for the queen and brood in the nest interior and switch to foraging tasks in the outside environment with ongoing age. This highly flexible interior–exterior transition probably allows the ant workers to properly match the colony needs and is one of the most impressive behaviors a single worker undergoes during its life. As environmental stimuli are changing with this transition, workers are required to perform a new behavioral repertoire. This requires significant adaptions in sensory and higher¬–order integration centers in the brain, like the mushroom bodies. Furthermore, foragers need proper time measuring mechanisms to cope with daily environmental changes and to adapt their own mode of life. Therefore, they possess a functional endogenous clock that generates rhythms with a period length of approximately 24 hours. The species–rich genus of Camponotus ants constitute a rewarding model to study how behavioral duties of division of labor were performed and modulated within the colony and how synaptic plasticity in the brain is processed, as they can divide their labor to both, age and body size, simultaneously. In my PhD thesis, I started to investigate the behavioral repertoire (like foraging and locomotor activity) of two sympatric Camponotus species, C. mus and C. rufipes workers under natural and under controlled conditions. Furthermore, I focused on the division of labor in C. rufipes workers and started to examine structural and ultrastructural changes of neuronal architectures in the brain that are accompanied by the interior–exterior transition of C. rufipes ants. In the first part of my thesis, I started to analyze the temporal organization of task allocation throughout the life of single C. rufipes workers. Constant video–tracking of individually labeled workers for up to 11 weeks, revealed an age–related division of labor of interior and exterior workers. After emergence, young individuals are tended to by older ones within the first 48 hours of their lives before they themselves start nurturing larvae and pupae. Around 52% switch to foraging duties at an age of 14–20 days. The workers that switched to foraging tasks are mainly media–sized workers and seem to be more specialized than nurses. Variations in proportion and the age of switching workers between and within different subcolonies indicate how highly flexible and plastic the age–related division of labor occurs in this ant species. Most of the observed workers were engaged in foraging tasks exclusively during nighttime. As the experiments were conducted in the laboratory, they are completely lacking environmental stimuli of the ants´ natural habitat. I therefore asked in a second study, how workers of the two closely related Camponotus species, C. rufipes and C. mus, adapt their daily activity patterns (foraging and locomotor activity) under natural (in Uruguay, South America) and controlled (in the laboratory) conditions to changing thermal conditions. Monitoring the foraging activity of both Camponotus species in a field experiment revealed, that C. mus workers are exclusively diurnal, whereas C. rufipes foragers are predominantly nocturnal. However, some nests showed an elevated daytime activity, which could be an adaption to seasonally cold night temperatures. To further investigate the impact of temperature and light on the differing foraging activity patterns in the field, workers of both Camponotus species were artificially exposed to different thermal regimes in the laboratory, simulating local winter and summer conditions. Here again, C. mus workers display solely diurnal locomotor activity, whereas workers of C. rufipes shifted their locomotor activity from diurnal under thermal winter conditions to nocturnal under thermal summer conditions. Hence, the combination of both, field work and laboratory studies, shows that daily activity is mostly shaped by thermal conditions and that temperature cycles are not just limiting foraging activity but can be used as zeitgeber to schedule the outside activities of the nests. Once an individual worker switches from indoor duties to exterior foraging tasks, it is confronted with an entirely new set of sensory information. To cope with changes of the environmental conditions and to facilitate the behavioral switch, workers need a highly flexible and plastic neuronal system. Hence, my thesis further focuses on the underlying neuronal adaptations of the visual system, including the optic lobes as the primary visual neuropil and the mushroom bodies as secondary visual brain neuropil, that are accompanied with the behavioral switch from nursing to foraging. The optic lobes as well as the mushroom bodies of light–deprived workers show an `experience–independent´ volume increase during the first two weeks of adulthood. An additional light exposure for 4 days induces an `experience–dependent´ decrease of synaptic complexes in the mushroom body collar, followed by an increase after extended light exposure for 14 days. I therefore conclude, that the plasticity of the central visual system represents important components for the optimal timing of the interior–exterior transitions and flexibility of the age–related division of labor. These remarkable structural changes of synaptic complexes suggest an active involvement of the mushroom body neuropil in the lifetime plasticity that promotes the interior–exterior transition of Camponotus rufipes ants. Beside these investigations of neuronal plasticity of synaptic complexes in the mushroom bodies on a structural level, I further started to examine mushroom body synaptic structures at the ultrastructural level. Until recently, the detection of synaptic components in projection neuron axonal boutons were below resolution using classical Transmission Electron Microscopy. Therefore, I started to implement Electron Tomography to increase the synaptic resolution to understand architectural changes in neuronal plasticity process. By acquiring double tilt series and consecutive computation of the acquired tilt information, I am now able to resolve individual clear–core and dense–core vesicles within the projection neuron cytoplasm of C. rufipes ants. I additionally was able to reveal single postsynaptic Kenyon cell dendritic spines (~62) that surround one individual projection neuron bouton. With this, I could reveal first insights into the complex neuronal architecture of single projection neuron boutons in the olfactory mushroom body lip region. The high resolution images of synaptic architectures at the ultrastructural level, received with Electron Tomography would promote the understanding of architectural changes in neuronal plasticity. In my PhD thesis, I demonstrate that the temporal organization within Camponotus colonies involves the perfect timing of different tasks. Temperature seems to be the most scheduling abiotic factors of foraging and locomotor activity. The ants do not only need to adapt their behavioral repertoire in accordance to the interior–exterior switch, also the parts in the peripheral and central that process visual information need to adapt to the new sensory environment. / Ameisen gehören zu den erfolgreichsten Insekten unserer Erde. Hauptverantwortlich für ihren enormen Erfolg ist die Arbeitsteilung der Arbeiterinnenkaste. Ameisenarbeiterinnen können sich ihre Aufgaben abhängig ihrer Körpergröße teilen (Größenpolymorphismus), indem unterschiedlich große Tiere verschiedenen Aufgaben in der Kolonie nachgehen. Zusätzlich kann die Arbeitsteilung aber auch altersbedingt sein (auch genannt Alters– oder zeitlicher Polyethismus): Junge Ameisen kümmern sich um die Königin und Brut innerhalb des Nestes, bevor sie mit zunehmendem Alter das Nest verlassen und zu Futtersammlerinnen (Furageuren) werden. Der extrem anpassungsfähige Wechsel von Innen¬– zu Außendiensttieren ist einer der erstaunlichsten Verhaltensweisen, die Arbeiterinnen an den Tag legen und ermöglicht es ihnen, den unterschiedlichen Bedürfnissen ihrer Kolonie nachzugehen. Der Übergang der Ammentätigkeit zum Furagieren ist mit beträchtlichen Veränderungen der sensorischen Umgebung der einzelnen Arbeiterinnen verbunden und erfordert eine Verhaltensanpassung an diese neuen Gegebenheiten. Wenn sich die Verhaltensweisen der Arbeiterinnen ändert, führt das zu Anpassungen der sensorischen und höheren Verschaltungszentren in bestimmten Gehirnarealen. Eines dieser sensorischen Verarbeitungszentren sind die Pilzkörper. Außerdem müssen Furageure in der Lage sein, tägliche Veränderungen ihrer Umwelt wahrzunehmen, um ihre Verhaltensweisen stets optimal an die sich ändernde Umwelt anzupassen. Dafür brauchen sie eine funktionierende innere Uhr, die rhythmisch mit einer Periodenlänge von ca. 24 Stunden läuft. Die artenreiche Gattung der Camponotus Ameisen ist ein geeigneter Organismus, um die Verhaltensweisen die mit der Arbeitsteilung der Arbeiterinnenkaste einhergehen, zu untersuchen, da sowohl der Größenpolymorphismus als auch der Alterspolyethismus zeitgleich in dieser Gattung auftauchen können. Dadurch eignen sich Camponotus Ameisen auch hervorragend, um strukturelle Veränderungen synaptischer Komplexe im Gehirn, die sich durch die Arbeitsteilung ändern können, zu untersuchen. In meiner Doktorarbeit habe ich damit angefangen, die Verteilung von bestimmten Aufgaben (Ammen und Furageure) von C. rufipes Arbeiterinnen zu untersuchen. Mithilfe von Videoaufnahmen über elf Wochen, konnte ich sowohl eine altersabhängige, als auch eine größenabhängige Arbeitsteilung zwischen Ammen und Furageuren für diese Art zeigen. Frisch geschlüpfte Tiere wurden innerhalb der ersten 48 Stunden von anderen Ammen umsorgt, bevor sie selbst zu Ammen wurden und Aufgaben wie Brutpflege übernommen haben. Nach rund 14–20 Tagen sind 53% der Ammen zu Furageuren gewechselt. Zusätzlich zu der altersabhängigen Arbeitsteilung konnte ich zeigen, dass die Körpergröße der Ammen deutlich breiter gestreut ist als die der Furageure, was in einer höheren Spezialisierung der Furageure resultiert. Proportionale Unterschiede des Alters und der Größe der Tiere, die diesen Wechsel vollzogen haben zeigen, wie hoch flexibel und anpassungsfähig die Arbeitsteilung innerhalb der Arbeiterinnenkaste sein kann. Die meisten der beobachteten Furageure waren außerdem fast ausschließlich nachtaktiv. Da ich diese Experimente im Labor durchgeführt habe, fehlt es komplett an der natürlichen sensorischen Umgebung der Tiere. In dem zweiten Teil meiner Doktorarbeit habe ich mich damit beschäftigt, ob sich tägliche Aktivitätsmuster (Furagier– und Bewegungsaktivität) von Arbeiterinnen zweier nah verwandter Camponotus Arten (C. rufipes und C. mus) unter natürlichen Bedingungen (in Uruguay, Südamerika) und unter kontrollierten Bedingungen (im Labor), in Abhängigkeit von den abiotischen Faktoren Licht und Temperatur, verändern können. Meine Ergebnisse zeigen, dass C. mus Arbeiterinnen unter natürlichen Bedingungen strikt tagaktiv sind, wohingegen C. rufipes Arbeiterinnen vornehmlich nachts furagierten. Ein paar C. rufipes Nester zeigten allerdings eine erhöhte Furagieraktivität tagsüber, was auf die saisonal kalten Nächte zurückzuführen sein könnte. Um den Einfluss von Licht und Temperatur, der sich auf die Furagieraktivität im Feld gezeigt hat, genauer untersuchen zu können, wurden Arbeiterinnen beider Camponotus Arten verschiedenen Licht– und Temperaturbedingungen im Labor ausgesetzt. Auch hier zeigten Arbeiterinnen der Gattung C. mus eine strikt tagaktive Bewegungsaktivität, wohingegen C. rufipes Arbeiterinnen von tagaktiv unter Winter Temperaturbedingungen zu nachaktiv unter Sommer Temperaturbedingungen wechselten. Die Kombination aus den Ergebnissen der Feld– und Laborstudien zeigen deutlich, dass die generelle Aktivität der beiden Arten hauptsächlich durch Licht und Temperatur beeinflusst wird und dass Temperaturzyklen nicht nur ein limitierender Faktor der Furagieraktivität sind, sondern auch als Zeitgeber dienen können um Aktivität generell zu regulieren. Wenn der Übergang von Innen– zu Außendiensttieren stattgefunden hat, ändert sich die komplette sensorische Umgebung der Furageure. Um diese Veränderungen verarbeiten zu können, brauchen Arbeiterinnen ein hoch anpassungsfähiges und flexibles neuronales System. Daher beschäftigte ich mich in meiner Doktorarbeit außerdem mit den zugrundeliegenden neuronalen Anpassungen der visuellen Verarbeitungsregionen im Gehirn, wie die optischen Loben und die Pilzkörper, die mit dem Wechsel von Ammen zu Furageuren einhergehen. Ich konnte zeigen, dass die optischen Loben und die Pilzkörper von im Dunkeln gehaltenen Arbeiterinnen eine `Erfahrungs–unabhängige´ Volumenszunahme innerhalb der ersten zwei Wochen nach dem Schlupf zeigen. Eine folgende Lichtexposition von vier Tagen führte zu einer `Erfahrungs–abhängigen´ Abnahme der synaptischen Strukturen im Pilzkörper, die allerdings durch eine länger anhaltende Lichtexposition von 14 Tagen wieder anstieg. Diese Plastizität des zentralen visuellen Nervensystems repräsentiert eine wichtige Komponente für die optimale zeitliche Anpassung des Wechsels von Ammen zu Furageuren und die enorme Flexibilität der altersabhängigen Arbeitsteilung. Außerdem scheinen die Pilzkörper durch diese beeindruckenden strukturellen Veränderungen der synaptischen Komplexe aktiv an dieser neuronalen Plastizität beteiligt zu sein und daher den Übergang von Innen– zu Außendiensttieren in C. rufipes Ameisen zu unterstützen. Neben meinen Untersuchungen zur neuronalen Plastizität synaptischer Komplexe im Pilzkörper auf der strukturellen Ebene, habe ich damit begonnen, diese Plastizität der neuronalen Komplexe auch auf Ultrastruktur Ebene zu untersuchen. Durch die zu geringe Auflösungsmöglichkeit der klassischen Transmissions Elektronenmikroskopie, konnten bisher einzelne synaptischer Komponenten in den axonalen Endigungen der Projektionsneurone nicht detektiert werden. Deswegen habe ich damit angefangen, die Methode der Elektronen Tomographie zu etablieren um die Auflösung synaptischer Komplexe zu verbessern. Mit dieser höheren Auflösung ist es möglich, bauliche Veränderungen der synaptischen Komplexe in Plastizitätsprozessen besser zu verstehen. Mit der Durchführung von `double tilt´ Serien und der anschließenden Verarbeitung der erhaltenen Bildinformation, war es mir möglich, einzelne `clear–core´ und `dense–core´ Vesikel innerhalb des Zytoplasmas der Projektionsneurone von C. rufipes Ameisen detektieren. Außerdem konnte ich mit dieser Methode einzelne postsynaptische dendritische Dornen der Kenyon Zellen (~62) identifizieren, die ein einzelnes Endknöpfchen eines Projektionsneurons umgeben. In diesem Teil meiner Arbeit konnte ich erste Einblicke in die komplexe neuronale Bauweise einzelner Endigungen der Projektionsneurone in der olfaktorischen Region der Pilzkörper zeigen. Die hochauflösenden Bilder synaptischer Komplexe auf dem Ultrastruktur Level, die man mit der Elektronen Tomographie erzielen kann, bringen das Verständnis baulicher Veränderungen innerhalb der neuronales Plastizität voran. In meiner Doktorarbeit konnte ich zeigen, dass die zeitliche Organisation verschiedener Aufgaben innerhalb der Kolonien von Camponotus Ameisen einer perfekten Zeitplanung bedarf. Hier scheinen die abiotischen Faktoren Temperatur und Licht den größten Einfluss auf die Furagieraktivität und die generelle Aktivität zu haben. Die Ameisenarbeiterinnen müssen nicht nur ihre Verhaltensweise nach dem Übergang von Ammen zu Furageuren anpassen, es müssen sich auch die Teile des Gehirns, die für die Verarbeitung visueller Reize zuständig sind, dieser neuen sensorischen Umgebung anpassen.

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.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Mbt, einem hochkonservierten Signalmolekül aus der Familie der p21-aktivierten Kinasen (PAK) aus Drosophila, während der Augen- und Pilzkörperentwicklung. Mbt wird aufgrund von Sequenzhomologien der PAK Unterfamilie II (PAK4-6) zugeordnet. PAK4-6 binden präferentiell die aktivierten Rho-GTPasen Cdc42 und schwächer Rac, werden durch diese Bindung jedoch nicht aktiviert, sondern an bestimmte Zellkompartimente rekrutiert. In Struktur- Funktionsanalysen in vitro und in vivo konnte gezeigt werden, dass Mbt ebenfalls fast ausschließlich mit aktiviertem Cdc42 und kaum mit aktiviertem Rac interagiert. Diese Interaktion führt nicht zur Aktivierung von Mbt, sondern eher zu einer Verringerung der Kinaseaktivität. Eine weitere Funktion der Interaktion von Cdc42 und Mbt ist die Rekrutierung von Mbt an die Adhärenzverbindungen (AV) in sich entwickelnden Photorezeptorzellen. Außerdem kann katalytisch inaktives Mbt im Gegensatz zu Cdc42-bindungsdefizientem Mbt partiell die Mbt-Funktion in mbtP1-Fliegen übernehmen. Mbt hat also auch kinaseunabhängige Funktionen. Während der Pilzkörperentwicklung sind sind die Cdc42-Bindungsdomäne und die Kinasedomäne von Mbt ebenfalls essentiell, ob subzelluläre Lokalisation hier eine ähnlich wichtige Rolle spielt, wurde nicht untersucht. Als Mbt-Interaktionspartner wurden in einem Yeast-two-Hybrid Screen drei neuartige Proteine identifiziert. Zwei davon, CG8818 und CG14880, können als Substrat von Mbt fungieren. Allerdings kann nur für CG8818 eine direkte Bindung spezifisch mit aktiviertem Mbt nachgewiesen werden. Die Interaktion mit CG14880 scheint transient zu sein und nur für die Zeit der Phosphorylierungsreaktion anzudauern. Gegen CG8818 wurde ein Antiserum hergestellt, das nach seiner Charakterisierung in biochemischen und histologischen Ansätzen zum Einsatz kommen soll. In einem genetischen Screen wurden Mutationen in canoe als Verstärker und Mutationen in eip75b als Suppressor des mbtP3-Augenphänotyps gefunden. Eip75B ist ein putativer Steroidhormonrezeptor und wird während der Verpuppung exprimiert, also zu dem Zeitpunkt, wenn sich der mbt-Phänotyp ausbildet. Interessanterweise haben Mutationen in eip75b keinen Effekt auf den mbtP3-Pilzkörperphänotyp. Canoe ist wie Mbt an den AV von sich entwickelnden Photorezeptorzellen lokalisiert und spielt ebenfalls während deren Morphogenese eine Rolle. Canoe ist ein aktinbindendes Protein und könnte eine Verbindung von Mbt zum Cytoskelett darstellen, das der dynamischen Regulation bedarf, um morphogenetische Prozesse voranzutreiben. Eine direkte Interaktion kann nicht nachgewiesen werden. Auch während der Pilzkörperentwicklung scheinen Mbt und Canoe im gleichen Signalweg aktiv zu sein. Genetische Interaktion mit mbtP3 während der Augenentwicklung konnte außerdem für Mutationen in slingshot und twinstar gezeigt werden, die beide in die Regulation des Cytoskeletts involviert sind. Das Transmembranprotein Crumbs scheint ebenfalls zusammen mit Mbt in der Photorezeptorzellmorphogenese eine Rolle zu spielen. Außerdem weißen erste Experimente darauf hin, dass Mbt im ERK-MAP Kinase-Signalweg eine Rolle spielt. Durch die Entdeckung der direkten und indirekten Interaktionspartner bietet sich nun die Gelegenheit, die Funktion und Wirkungsweise von Mbt weiter zu entschlüsseln. Damit kann ein wesentlicher Beitrag zur Aufklärung der Rolle von PAK-Proteinen während morphogenetischer Prozesse und der Regulation der Zellzahl in der Entwicklung geleistet werden. / In this work the function of Mbt, a higly conserved signaling molecule of the family of p21-activated kinases (PAK) from Drosophila, has been characterized during eyeand mushroom body development. Based on sequence homology, Mbt was classified as member of the PAK subfamily II (PAK4-6). PAK4-6 interact preferentially with activated Cdc42 and weakly with activated Rac. In contrast to PAK1-3 and DPAK this interaction does not lead to the activation of kinase activity but to the recruitment of PAK4-6 to specific cell compartments. A structure- function analysis in vitro and in vivo demonstrated that Mbt preferentially interacts with activated Cdc42 and weakly with Rac. This interaction does not lead to the activation but to the suppression of Mbt kinase activity. Furthermore, Cdc42 recruits Mbt to adherens junctions (AJ) in developing photoreceptor cells. In contrast to a Cdc42-binding deficient Mbt, a kinase dead Mbt protein can partially substitute for the loss of endogenous Mbt function in mbtP1-mutant flies. Thus, Mbt has kinase independent functions. The kinase domain and the Cdc42-binding domain are also essential for Mbt function during mushroom body development. The subcellular localization of Mbt during mushroom body development was not investigated. Three novel protein were identified as Mbt interacting proteins in a yeast-two-hybrid screen. Two of them, CG8818 and CG14880, are phosphorylation substrates of Mbt. However, only for CG8818 a direct interaction specifically with activated Mbt could be confirmed. The interaction with CG14880 seems to be very transient and to last just for the time of the phosphorylation reaction. For CG8818 an antiserum was generated which awaits its characterization and employment in biochemical and histological approaches. In a screen for modifiers of the mbtP3-eye phenotype mutations in canoe were found to enhance and mutations in eip75b were found to suppress the mbtP3-eye phenotype. eip75b encodes a putative steroid hormone receptor. It is expressed during puparium formation when the mbt-phenotype evolves. Interestingly, mutations in eip75b have no effect on the mbtP3-mushroom body phenotype. Canoe and Mbt colocalize at AJ in developing photoreceptor cells and Canoe, like Mbt, plays a role in photoreceptor cell morphogenesis. Canoe is an actin binding protein and could provide a link between Mbt and the cytoskeleton which needs to be regulated dynamically to drive morphogenetic processes. However, a direct interaction could not be shown. In mushroom body development Canoe and Mbt seem to function in the same developmental pathway. The mbtP3-eye phenotype was also modified by mutations in twinstar and slingshot. These proteins are regulators of actin dynamics and therefore another link to the cytoskeleton. The transmembrane protein Crumbs seems to function together with Mbt during photoreceptor cell morphogenesis as well. Last but not least, preliminary experiments suggest that Mbt is involved in the Erk-MAP Kinase pathway. These indirect and direct interaction partners await to be further characterized. Their identification offer a great opportunity to further gain insight into the processes regulated by Mbt

Understanding of complex interactions and events in a nervous system, leading from the molecular level up to certain behavioural patterns calls for interdisciplinary interactions of various research areas. The goal of the presented work is to achieve such an interdisciplinary approach to study and manipulate animal behaviour and its underlying mechanisms. Optical in vivo imaging is a new constantly evolving method, allowing one to study not only the local but also wide reaching activity in the nervous system. Due to ease of its genetic accessibility Drosophila melanogaster represents an extraordinary experimental organism to utilize not only imaging but also various optogenetic techniques to study the neuronal underpinnings of behaviour. In this study four genetically encoded sensors were used to investigate the temporal dynamics of cAMP concentration changes in the horizontal lobes of the mushroom body, a brain area important for learning and memory, in response to various physiological and pharmacological stimuli. Several transgenic lines with various genomic insertion sites for the sensor constructs Epac1, Epac2, Epac2K390E and HCN2 were screened for the best signal quality, one line was selected for further experiments. The in vivo functionality of the sensor was assessed via pharmacological application of 8-bromo-cAMP as well as Forskolin, a substance stimulating cAMP producing adenylyl cyclases. This was followed by recording of the cAMP dynamics in response to the application of dopamine and octopamine, as well as to the presentation of electric shock, odorants or a simulated olfactory signal, induced by acetylcholine application to the observed brain area. In addition the interaction between the shock and the simulated olfactory signal by simultaneous presentation of both stimuli was studied. Preliminary results are supporting a coincidence detection mechanism at the level of the adenylyl cyclase as postulated by the present model for classical olfactory conditioning. In a second series of experiments an effort was made to selecticvely activate a subset of neurons via the optogenetic tool Channelrhodopsin (ChR2). This was achieved by recording the behaviour of the fly in a walking ball paradigm. A new method was developed to analyse the walking behaviour of the animal whose brain was made optically accessible via a dissection technique, as used for imaging, thus allowing one to target selected brain areas. Using the Gal4-UAS system the protocerebral bridge, a substructure of the central complex, was highlighted by expressing the ChR2 tagged by fluorescent protein EYFP. First behavioural recordings of such specially prepared animals were made. Lastly a new experimental paradigm for single animal conditioning was developed (Shock Box). Its design is based on the established Heat Box paradigm, however in addition to spatial and operant conditioning available in the Heat Box, the design of the new paradigm allows one to set up experiments to study classical and semioperant olfactory conditioning, as well as semioperant place learning and operant no idleness experiments. First experiments involving place learning were successfully performed in the new apparatus. / Das Verständniss für die komplexen Interaktionen und Zusammenhänge, die von der molekularen Ebene bis zum Auftreten von bestimmten Verhaltensmustern führen, erfordert die interdisziplinäre Zusammenarbeit unterschiedlicher Forschungsrichtungen. Das Ziel der vorgelegten Arbeit war es einen solchen interdisziplinären Ansatz für die Erforschung und die Manipulation von Verhalten und ihm zu Grunde liegenden Mechanismen zu verwirklichen. Optisches in vivo Imaging ist eine neue, sich ständig weiterentwickelnde Methode, welche es ermöglicht, nicht nur lokale sondern auch weitläufige Aktivitäten innerhalb des Nervensystem zu untersuchen. Drosophila melanogaster stellt aufgrund der leichten genetischen Zugänglichkeit einen herausragenden experimentellen Organismus dar, bei welchem neben optischem Imaging eine ganze Reihe optogenetischer Methoden angewandt werden kann, um die neuronalen Grundlagen des Verhaltens zu erforschen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe von vier genetisch kodierten Sensoren in vivo die Dynamik der cAMP Konzentration in den horizontalen Loben des Pilzkörpers, bei Applikation unterschiedlicher physiologischer und pharmazeutischer Stimuli untersucht. Dabei wurden mehrere transgene Fliegenlinien mit Sensorkonstrukten Epac1, Epac2, Epac2K390E und HCN2 an unterschiedlichen genomischen Insertionsorten, hinsichtlich ihrer Signalqualität untersucht, eine der Linien wurde für weitere Experimente ausgewählt. Zunächst wurde an dieser die in vivo Tauglichkeit des Sensors gezeigt, indem die Konzentration von cAMP durch pharmakologische Applikationen von 8-Bromo-cAMP und Forskolin, einer Substanz welche die Aktivität von cAMP produzierenden Adenylatcyclasen stimuliert, appliziert wurden. Anschließend wurde eine Untersuchung der cAMP Dynamik als Antwort auf einen elektrischen Schock, unterschiedliche Düfte, sowie einen durch Applikation von Acetylcholin simulierten Duftstimulus durchgeführt. Vorläufige Ergebnisse bestärken das aktuelle Modell der klassischen olfaktorischen Konditionierung durch die Koinzidenzdetektion auf der Ebene der Adenylatcyclase. In einem weiteren Experiment wurde der Versuch einer optogenetischen neuronalen Aktivierung unternommen, dabei wurde basierend auf einem Laufball Paradigma eine Methode entwickelt, das Laufverhalten der Fliegen zu analysieren während ihr Gehirn durch eine Imaging-Präparation freigelegt wurde, um gezielt bestimmte durch fluoreszierende Proteine markierte Gehirnbereiche anzuregen. Erste Aufzeichnungen des Laufverhaltens bei Aktivierung der protocerebrallen Brücke, einer Substruktur des Zentralkomplexes, wurden durchgeführt. Schließlich wurde eine neue Apparatur (Shock Box) für die Konditionierung von Einzeltieren entwickelt und gebaut, das Design beruht auf dem der sogenannten Heat Box, ermöglicht jedoch klassische und semioperante olfaktorische Konditionierung zusätzlich zu der in der Heat Box möglichen räumlichen und operanten Konditionierung. Die ersten Versuche für räumliches Lernen wurden in der Apparatur durchgeführt.

p21-aktivierte Kinasen regulieren zahlreiche zelluläre Prozesse, die während der Entwicklung, aber auch beispielsweise bei der Krebsentstehung, von zentraler Bedeutung sind. Mbt, das einzige Typ II PAK-Protein von Drosophila melanogaster, spielt eine Rolle bei der Gehirnentwicklung. Eine Nullmutation von mbt, mbtP1, bildet kleinere Gehirne mit stark verkleinerten Pilzkörpern aus. In dieser Arbeit wurde die Funktion von Mbt in Neuroblasten untersucht. Mbt wurde als Teil des apikalen Proteinkomplexes in Neuroblasten des Zentralhirns nachgewiesen. Die apikale Lokalisation von Mbt ist Zellzyklus-abhängig und wird über Bindung an Cdc42 reguliert. Sie ist essentiell für die Funktion von Mbt in Neuroblasten. Trotz apikaler Mbt-Lokalisation in Neuroblasten zeigte die mbt Nullmutante keine Defekte des basalen Mechanismus der asymmetrischen Zellteilung. Mud zeigte geringfügige Lokalisationsveränderungen, die auf einen möglichen Einfluss von Mbt hinweisen. Obwohl PAKs zentrale Regulatoren des Zytoskeletts sind, zeigte die mbtP1 Mutante keine offensichtlichen Veränderungen des Aktin- und Tubulin-Zytoskeletts. Armadillo, ein Aktin-assoziiertes Mbt-Substrat, zeigte ebenfalls keine Lokalisationsveränderung in Neuroblasten. Mbt steuert jedoch die apikale Anreicherung von Cno, einem weiteren Aktin-assoziierten Protein, in Neuroblasten. Darüber hinaus beeinflusst Mbt die Zellgröße von Neuroblasten, sowie deren Proliferationspotenzial und Überleben. mbtP1 Neuroblasten sind kleiner als wildtypische Neuroblasten, haben ein geringeres Proliferationsvermögen und eine geringere Überlebenswahrscheinlichkeit. Der Zelltod von Neuroblasten ist jedoch ein sekundärer Effekt. Daher kann eine Blockierung von Apoptose den adulten Pilzkörperphänotyp nicht retten. Signalwege, die Zellgröße und Proliferation regulieren, wurden auf eine Beteiligung von Mbt hin analysiert. mbtP1 induzierte leichte Effekte im Insulin-Signalweg und die Delokalisation eines nukleolären Proteins. Eine genetische Interaktion von mbtP1 mit Mutationen in Genen des klassischen MAPK-Signalweges identifzierte mbt als Positivregulator dieses Signalweges im Auge. Ein ähnlicher, schwächerer Effekt wurde auch bzgl. der Proliferation und Größe von Neuroblasten beobachtet. Eine 2D-Gelanalyse von Larvengehirnen identifizierte Bic und Hsp83 als mögliche von Mbt regulierte Proteine. Diese Arbeit charakterisiert eine bisher unbekannte Funktion der p21-aktivierten Kinase Mbt in neuronalen Stammzellen und liefert damit Ansatzpunkte für eine detaillierte Aufklärung der Funktionsmechanismen von Typ II PAKs bei der Regulation von Zellproliferation und Überleben / p21-activated kinases regulate numerous cellular processes central not only during development, but also for example for cancer pathogenesis. Mbt, the only type II PAK in Drosophila, regulates brain development. The mbt null mutant mbtP1 exhibits reduced brain size, with the mushroom bodies showing the most pronounced reduction. In this work, the function of Mbt in neuroblasts was investigated. Mbt was identified as a component of the apical protein complex in central brain neuroblasts. The apical localization of Mbt was cell cycle dependent and regulated by binding to Cdc42, which is essential for Mbt function in neuroblasts. Despite apical localization of Mbt, the mbtP1 null allel showed no defects in the basic mechanism of asymmetric cell division in larval neuroblasts. However, Mud showed minor localization changes indicating a possible influence of Mbt. Even though PAKs are well-known regulators of the cytoskeleton, no obvious changes in the actin and tubulin cytoskeleton were observed in mbtP1 neuroblasts. The localization of Armadillo, an actin-associated Mbt substrate, was also undisturbed throughout the cell cycle. Mbt controls the apical enrichment of Cno, another actin-associated protein. Moreover, Mbt influences neuroblast cell size, proliferation potential and survival. mbtP1 neuroblasts were smaller than wildtype neuroblasts and showed reduced proliferation activity and survival. However, the apoptotic loss of mbtP1 neuroblasts is a secondary effect. Thus, the adult mushroom body phenotype cannot be rescued by blocking apoptosis. Signalling pathways known to regulate growth and proliferation were analyzed with respect to a possible participation of Mbt. mbtP1 induced slight effects in the insulin pathway and strongly influenced the localization of an unknown nucleolar protein. Genetic interactions of mbtP1 with mutations in genes involved in the classical MAPK pathway identified mbt as a positive regulator of the MAPK pathway. A similar effect was also observed with respect to neuroblast proliferation and size. A 2D gel analysis of larval brains identified Bic and Hsp83 as candidate proteins, that might be regulated by Mbt. This work characterizes a novel function of the p21-activated kinase Mbt in neural stem cells. It provides starting points for a detailed analysis of the mechanisms of type II PAK functions in the control of cell growth, proliferation and survival.

Learning and memory is considered to require synaptic plasticity at presynaptic specializations of neurons. Kenyon cells are the intrinsic neurons of the primary olfactory learning center in the brain of arthropods – the mushroom body neuropils. An olfactory mushroom body memory trace is supposed to be located at the presynapses of Kenyon cells. In the calyx, a sub-compartment of the mushroom bodies, Kenyon cell dendrites receive olfactory input provided via projection neurons. Their output synapses, however, were thought to reside exclusively along their axonal projections outside the calyx, in the mushroom body lobes. By means of high-resolution imaging and with novel transgenic tools, we showed that the calyx of the fruit fly Drosophila melanogaster also comprised Kenyon cell presynapses. At these presynapses, synaptic vesicles were present, which were capable of neurotransmitter release upon stimulation. In addition, the newly identified Kenyon cell presynapses shared similarities with most other presynapses: their active zones, the sites of vesicle fusion, contained the proteins Bruchpilot and Syd-1. These proteins are part of the cytomatrix at the active zone, a scaffold controlling synaptic vesicle endo- and exocytosis. Kenyon cell presynapses were present in γ- and α/β-type KCs but not in α/β-type Kenyon cells. The newly identified Kenyon cell derived presynapses in the calyx are candidate sites for an olfactory associative memory trace. We hypothesize that, as in mammals, recurrent neuronal activity might operate for memory retrieval in the fly olfactory system. Moreover, we present evidence for structural synaptic plasticity in the mushroom body calyx. This is the first demonstration of synaptic plasticity in the central nervous system of Drosophila melanogaster. The volume of the mushroom body calyx can change according to changes in the environment. Also size and numbers of microglomeruli - sub-structures of the calyx, at which projection neurons contact Kenyon cells – can change. We investigated the synapses within the microglomeruli in detail by using new transgenic tools for visualizing presynaptic active zones and postsynaptic densities. Here, we could show, by disruption of the projection neuron - Kenyon cell circuit, that synapses of microglomeruli were subject to activity-dependent synaptic plasticity. Projection neurons that could not generate action potentials compensated their functional limitation by increasing the number of active zones per microglomerulus. Moreover, they built more and enlarged microglomeruli. Our data provide clear evidence for an activity-induced, structural synaptic plasticity as well as for the activity-induced reorganization of the olfactory circuitry in the mushroom body calyx. / Synaptische Plastizität an den präsynaptischen Spezialisierungen von Neuronen sind nach allgemeinem Verständnis die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse. Kenyon Zellen sind die intrinsischen Zellen des Zentrums für olfaktorisches Lernen im Gehirn von Arthropoden – den Pilzkörper Neuropilen. An den Präsynapsen der Kenyon Zellen wird eine olfaktorische Gedächtnisspur vermutet. Im Kalyx, einer Substruktur der Pilzkörper, erhalten die Kenyon Zell Dendriten ihren olfaktorischen Input durch Projektionsneurone. Ihre Präsynapsen wiederum befinden sich ausschließlich in ihren axonalen Kompartimenten außerhalb des Kalyx, nämlich in den Loben der Pilzkörper. Mit Hilfe von hochauflösenden bildgebenden Techniken und neuen transgenen Methoden, ist es uns in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster gelungen, Kenyon Zell Präsynapsen im Kalyx zu identifizieren. Diese Präsynapsen enthalten synaptische Vesikel, die nach Stimulation ihren Inhalt freisetzen können. Sie weisen noch weitere Gemeinsamkeiten mit den meisten anderen Präsynapsen auf: Ihre Aktiven Zonen, die Orte der Transmitterfreisetzung, enthalten die Proteine Bruchpilot und Syd-1. Diese sind Teil der Zytomatrix an der Aktiven Zone, ein Proteingerüst das Endo- und Exozytose der synaptischen Vesikel kontrolliert. Die Präsynapsen im Kalyx wurden in γ- and α/β-Typ Kenyon Zellen aber nicht in α/β-Typ Kenyon Zellen gefunden. Die neu identifizierten Kenyon Zell Präsynapsen beherbergen potentiell eine Gedächtnisspur für olfaktorisch assoziatives Lernen. Möglicherweise wird im olfaktorischen Nervensystem von Fruchtfliegen rücklaufende neuronale Aktivität benötigt, um Gedächtnis abzurufen, so wie es auch für Säuger beschrieben ist. Darüber hinaus zeigen wir synaptische Plastizität im Kalyx. Dies ist die erste Beschreibung überhaupt von synaptischer Plastizität im zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster. Das Volumen des Kalyx kann sich als Antwort auf äußere Einflüsse verändern. Genauso auch Größe und Anzahl der Mikroglomeruli, Substrukturen des Kalyx, in denen Projektionsneurone und Kenyon Zellen aufeinander treffen. Wir untersuchten die Synapsen in Mikroglomeruli detailliert, mithilfe von neuen transgenen Methoden, die es erlauben, präsynaptische Aktive Zonen sowie Postsynaptische Spezialisierungen zu visualisieren. Mittels Beeinträchtigung der Kommunikation zwischen Projektionsneuronen und Kenyon Zellen, konnten wir synaptische Plastizität in Mikroglomeruli zeigen. Projektionsneurone, die nicht in der Lage waren, Aktionspotentiale zu erzeugen, kompensierten ihre funktionelle Einschränkung durch den vermehrten Einbau von Aktiven Zonen in Mikroglomeruli. Außerdem produzierten sie mehr und vergrößerte Mikroglomeruli. Unsere Daten zeigen deutlich eine aktivitätsinduzierte Veränderung des olfaktorischen neuronalen Netzes, sowie strukturelle synaptische Plastizität im Kalyx.

Die Pilzkörper von Drosophila melanogaster stellen eine für die Lebensfähigkeit dieses Organismus entbehrliche Gehirnstruktur dar. Die Entwicklungsprozesse, die der Bildung dieser zentralnervösen Struktur zugrunde liegen, sind gut erforscht. Die neuronalen Stammzellen, die für die Bildung dieser Gehirnstruktur verantwortlich sind, sind identifiziert und experimentell gut zugänglich. Daher bietet sich die Drosophila-Pilzkörperentwicklung als neurogenetisches Modellsystem an, grundlegende Mechanismen der Gehirnentwicklung durch die Untersuchung von Pilzkörperstrukturmutanten zu erforschen. In dieser Arbeit wurde mushroom bodies undersized P1 (mbuP1) als eine durch Transposon- Insertion in den Casein-Kinase-2ß-Genlokus verursachte, hypomorphe Mutation identifiziert, die zu einer starken Verringerung der Anzahl der die Pilzkörper bildenden intrinsischen Neurone führt. Eine Reversion des mbuP1-Pilzkörperphänotyps konnte unter anderem durch die Expression von Casein-Kinase-2ß-(CK2ß)-Transgenen im mbuP1-Hintergrund erzielt werden. Durch Rekombination wurde ein fertiler mbuP1-Stamm etabliert, der nun die Untersuchung der zellulären mbuP1-Defekte ermöglicht. Eine partielle, letale Deletion der CK2ß-Transkriptionseinheit wurde erzeugt. Die Letalität dieser Deletion konnte sowohl durch ein genomisches CK2ß-Transgen als auch durch die ubiquitäre Expression einer CK2ß-cDNA gerettet, und hierdurch die essentielle Funktion der CK2ß-Transkriptionseinheit in Drosophila belegt werden. Durch die ubiquitäre Expression von in vitro-mutagenisierten CK2ß-cDNAs im CK2ß-Letalhintergrund wurde gezeigt, daß die Phosphorylierung der regulatorischen CK2ß-Untereinheit durch die katalytisch aktive CK2α-Untereinheit kein lebensnotwendiger Prozess ist. Gleichartige Experimente wurden zur Untersuchung der funktionellen Bedeutung eines CK2ß-Zinkfingermotivs und eines CK2ß-Destruction-Box-Motivs durchgeführt. Diese legen nahe, daß das Zinkfingermotiv im Gegensatz zum Destruction-Box-Motiv für die in vivo-Funktion der CK2ß-Untereinheit essentiell ist. Expression der in vitro-mutagenisierten CK2ß-cDNAs im mbuP1-Hintergrund werden die funktionelle Bedeutung der ausgetauschten Aminosäuren für die Pilzkörperentwicklung zeigen. Eine letale genetische Interaktion von mbuP1 mit einer Mutation des Drosophila-MAP-Kinase-Gens rolled (rlSem) und eine lebensfähige Interaktion von mbuP1 mit einer Mutation des Drosophila-S6-Kinase-p90rsk-Gens ignorant (ignP1), bei der Flügel- und Augenent-wicklungsdefekte zu beobachten sind, wurden gefunden. Es wurde zudem gezeigt, daß rlSem als Suppressor des Pilzkörperphänotyps eines schwächeren mbu-Allels wirkt. Hierdurch konnte eine Beteiligung der Casein-Kinase-2 an MAP-Kinase-Signalübertragungswegen wahrscheinlich gemacht werden. / Mushroom bodies are dispensable for the developing and adult Drosophila fly. The developmental processes underlying mushroom body formation are well studied, the neural stem cells responsable for their development are identified and experimentally well accessable. Therefore Drosophila mushroom body development can be used as a powerful neurogenetic model system to find out about fundamental mechanisms underlying brain development by studying mutant flies showing aberrant mushroom body development. In the course of this work, mushroom bodies undersized P1 (mbuP1) was identified as a hypomorphic casein kinase 2ß-allele (CK2ß) caused by the insertion of transposable elements in the casein kinase 2ß gene locus. The mbuP1-mutation leads to a drastic reduction of the number of intrinsic neurons forming the adult mushroom body. Expression of transgenic CK2ß in a mbuP1-mutant background led to a reversion of the mbuP1-associated mushroom body phenotype. Fertility of mbuP1-flies could be partially restored by recombining the original mbuP1{P3843/2}-chromosome with a w1118-chromosome. This will allow future studies to identify the cellular defects caused by mbuP1. A partial deletion of the CK2ß gene causes lethality which could be rescued by either a genomic CK2ß-transgene or by ubiquitous expression of a CK2ß-cDNA. Therefore, CK2ß has been shown to be an essential gene in Drosophila. By ubiquitous expression of in vitro mutagenized CK2ß-cDNAs in a CK2ß-lethal background, a non-essential role of phosphorylation of the regulatory CK2ß-subunit by the catalytically active CK2α-subunit could be shown. Similar experiments were performed to examine the role of a CK2ß-zincfinger motif and a CK2ß-destruction-box motif. The obtained results suggest a non-essential in vivo function for the destruction-box motif and an essential in vivo function for the zincfinger-motif. Expression of the in vitro mutagenized CK2ß-cDNAs in a mbuP1-background will reveal the functional significance of the substituted amino acids for mushroom body development. Performed genetic interaction studies showed a lethal interaction of mbuP1 with a mutation in the Drosophila-MAP-kinase gene rolled (rlSem) and a viable genetic interaction with a mutation in the Drosophila-S6-kinase-p90rsk gene ignorant (ignP1) which revealed defects in wing formation and eye development. It also could be shown that rlSem acts as a suppressor of the mushroom body phenotype associated with a weaker mbu-allele. These observations point towards a role of casein kinase 2 in MAP-kinase signalling.

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