Prospektives Gedächtnis beschreibt die Fähigkeit Intentionen zu einem späteren Zeitpunkt als Reaktion auf einen Hinweisreiz auszuführen. Derartige Aufgaben finden sich zahlreich in Alltags- wie auch Arbeitskontexten, waren aber im Gegensatz zum retrospektiven Gedächtnis lange Zeit nicht im Fokus der Forschung. Erst die Arbeit von Harris (1984) und insbesondere der Artikel von Einstein and McDaniel (1990) wurden Ausgangspunkte eines sich stetig vergrößernden Forschungsfeldes. Aufbauend auf dieser Forschung werden im Rahmen dieser Dissertationsschrift fünf Journal-Artikel präsentiert und verknüpft, die das Verständnis zum prospektiven Gedächtnis durch die Betrachtung von möglichen Fehlern erweitern. Die erste Studie beschäftigt sich mit der Frage ob zusätzliche kognitiven Ressourcen benötigt werden um eine Intention zwischen dem Hinweisreiz und ihrer Ausführung aufrecht zu erhalten. Die Folgerungen von Einstein, McDaniel, Williford, Pagan, and Dismukes (2003), die eine derartige Aufrechterhaltung vorschlugen konnten nicht repliziert werden. In der zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass Unterbrechungen zwischen Hinweisreiz und Ausführung der Intention insbesondere dann negative Folgen zeigen, wenn sie mit einem Kontextwechsel verbunden sind. In den Studien drei bis fünf stand das irrtümliche Ausführen von beendeten prospektiven Gedächtnisaufgaben im Zentrum der Untersuchung. Hier konnte nicht nur gezeigt werden, dass die bisherige Theorie zur Vorhersage derartiger Fehler, die vor allem auf Unterdrückung der Reaktion beruht (Bugg, Scullin, & Rauvola, 2016), mit den Ergebnissen speziell zu deren Prüfung entworfener Experimente nicht zu vereinbaren ist. Darüber hinaus wurde im Rahmen der Untersuchungen eine Modifikation der Theorie ausgearbeitet, die besser geeignet erscheint sowohl bisherige Ergebnisse als auch die hinzugekommenen Experimente vorherzusagen. Über alle fünf Artikel wird zusätzlich verdeutlicht, dass der Moment in dem der Hinweisreiz präsentiert wird eine noch größere Rolle zu spielen scheint, als durch bisherige Forschung deutlich geworden ist. / Prospective memory is the ability to implement intentions at a later point in time in response to a specified cue. Such prospective memory tasks often occur in daily living and workplace situations. However, in contrast to retrospective memory there has been relatively little research on prospective memory. The studies by Harris (1984) and Einstein and MacDaniel (1990) served as a starting point for a now steadily growing area of research. Based on this emerging field of study this dissertation presents and connects and five journal articles, which further explore prospective memory by focusing on its potential errors. The first article addresses the question if additional cognitive resources are needed after a prospective memory cue occurs to keep the intention active until it is implemented. The theory by Einstein, McDaniel, Williford, Pagan and Dismukes (2003), which suggested this active maintenance, could not be replicated. The second article demonstrated that interruptions between cue and the window of opportunity to implement the intention reduce prospective memory performance, especially if the interruption is tied with a change of context. Article three to five were focused on the erroneous implementation of a no longer active prospective memory task, so called commission errors. The suggested mechanism for their occurrence, the dual-mechanism account (Bugg, Scullin, & Rauvola, 2016), was not suited to explain the present results. A modification for the dual-mechanism account was formulated, which can account for prior work, as well as for the present data. The results of all five articles also indicate that the moment of cue retrieval is even more relevant for prospective memory and its errors than previously accounted for.

Honeybees (Apis mellifera) forage on a great variety of plant species, navigate over large distances to crucial resources, and return to communicate the locations of food sources and potential new nest sites to nest mates using a symbolic dance language. In order to achieve this, honeybees have evolved a rich repertoire of adaptive behaviours, some of which were earlier believed to be restricted to vertebrates. In this thesis, I explore the mechanisms involved in honeybee learning, memory, numerical competence and navigation. The findings acquired in this thesis show that honeybees are not the simple reflex automats they were once believed to be. The level of sophistication I found in the bees’ memory, their learning ability, their time sense, their numerical competence and their navigational abilities are surprisingly similar to the results obtained in comparable experiments with vertebrates. Thus, we should reconsider the notion that a bigger brain automatically indicates higher intelligence. / Honigbienen (Apis mellifera) furagieren an vielen verschiedenen Pflanzenarten, und navigieren über große Distanzen zu wichtigen Ressourcen. Die räumliche Lage von Futterquellen und potentiellen neuen Nistplätzen teilen sie ihren Nestgenossinnen mithilfe einer symbolischen Tanzsprache mit. Um all dies leisten zu können, haben sie ein reiches Repertoire von adaptiven Verhaltensweisen evolviert. Mehr und mehr Verhaltensweisen, die man nur bei Vertebraten vermutet hätte, werden auch bei der Honigbiene entdeckt. In meiner Dissertation habe ich einige der Mechanismen erforscht, die beim Lernverhalten, der Gedächtnisbildung, der numerischen Kompetenz und der Navigation eine wichtige Rolle spielen. Die Ergebnisse, die in meiner Dissertation erzielt wurden, zeigen dass Honigbienen keineswegs die einfachen, reflexgesteuerten Organismen sind, als die sie lange Zeit angesehen wurden. Die Komplexität die ich im Gedächtnis, der Lernfähigkeit, dem Zeitsinn, der numerischen Kompetenz und der Navigationsfähigkeit der Bienen gefunden habe, ist erstaunlich ähnlich zu den Ergebnissen, die in vergleichbaren Experimenten mit Vertebraten erzielt wurden. Deshalb sollten wir die allgemeine Annahme, dass ein größeres Gehirn automatisch höhere Intelligenz bedeutet, überdenken.

Memory is dynamic: shortly after acquisition it is susceptible to amnesic treatments, gets gradually consolidated, and becomes resistant to retrograde amnesia (McGaugh, 2000). Associative olfactory memory of the fruit fly Drosophila melanogaster also shows these features. After a single associative training where an odor is paired with electric shock (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985), flies form an aversive odor memory that lasts for several hours, consisting of qualitatively different components. These components can be dissociated by mutations, their underlying neuronal circuitry and susceptibility to amnesic treatments (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). A component that is susceptible to an amnesic treatment, i.e. anesthesia-sensitive memory (ASM), dominates early memory, but decays rapidly (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). A consolidated anesthesia-resistant memory component (ARM) is built gradually within the following hours and lasts significantly longer (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). I showed here that the establishment of ARM requires less intensity of shock reinforcement than ASM. ARM and ASM rely on different molecular and/or neuronal processes: ARM is selectively impaired in the radish mutant, whereas for example the amnesiac and rutabaga genes are specifically required for ASM (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). The latter comprise the cAMP signaling pathway in the fly, with the PKA being its supposed major target (Levin et al., 1992). Here I showed that a synapsin null-mutant encoding the evolutionary conserved phosphoprotein Synapsin is selectively impaired in the labile ASM. Further experiments suggested Synapsin as a potential downstream effector of the cAMP/PKA cascade. Similar to my results, Synapsin plays a role for different learning tasks in vertebrates (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Also in Aplysia, PKA-dependent phosphorylation of Synapsin has been proposed to be involved in regulation of neurotransmitter release and short-term plasticity (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin is associated with a reserve pool of vesicles at the presynapse and is required to maintain vesicle release specifically under sustained high frequency nerve stimulation (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). In contrast, the requirement of Bruchpilot, which is homologous to the mammalian active zone proteins ELKS/CAST (Wagh et al., 2006), is most pronounced in immediate vesicle release (Kittel et al., 2006). Under repeated stimulation of a bruchpilot mutant motor neuron, immediate vesicle release is severely impaired whereas the following steady-state release is still possible (Kittel et al., 2006). In line with that, knockdown of the Bruchpilot protein causes impairment in clustering of Ca2+ channels to the active zones and a lack of electron-dense projections at presynaptic terminals (T-bars). Thus, less synaptic vesicles of the readily-releasable pool are accumulated to the release sites and their release probability is severely impaired (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). First, I showed that Bruchpilot is required for aversive olfactory memory and localized the requirement of Bruchpilot to the Kenyon cells of the mushroom body, the second-order olfactory interneurons in Drosophila. Furthermore, I demonstrated that Bruchpilot selectively functions for the consolidated anesthesia-resistant memory. Since Synapsin is specifically required for the labile anesthesia sensitive memory, different synaptic proteins can dissociate consolidated and labile components of olfactory memory and two different modes of neurotransmission (high- vs. low frequency dependent) might differentiate ASM and ARM. / Gedächtnis ist ein dynamischer Prozess. In der Zeit kurz nach seiner Bildung ist es instabil und anfällig gegen amnestische Störungen, dann wird es schrittweise konsolidiert und schließlich resistent gegenüber retrogradem Gedächtnisverlust (McGaugh, 2000). Auch das assoziative olfaktorische Gedächtnis der Fruchtfliege Drosophila melanogaster zeigt diese Merkmale. Nach einem einzelnen assoziativen Training, in welchem ein Duft mit elektrischen Stromstößen gepaart wird, bilden die Fliegen ein aversives Duftgedächtnis, welches über mehrere Stunden anhält und aus qualitativ unterschiedlichen Komponenten besteht (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985). Diese Komponenten können zum Beispiel durch Mutationen, die zugrunde liegenden neuronalen Verknüpfungen oder durch ihre Anfälligkeit für amnestische Behandlungen unterschieden werden (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). Eine gegen amnestische Behandlungen, wie beispielsweise Kälte-induzierte Betäubung, anfällige Komponente beherrscht das frühe Gedächtnis, zerfällt jedoch schnell (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese wird deshalb Anästhesie-sensitives Gedächtnis genannt (anesthesia-sensitive memory [ASM]). Im Gegensatz dazu baut sich eine konsolidierte Komponente erst langsam in den folgenden Stunden nach dem Training auf, hält stattdessen jedoch länger an (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese Komponente ist resistent gegenüber Kälte-induzierter Anästhesie und wird deshalb als ARM (anesthesia-resistant memory) bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit konnte ich zeigen, dass das konsolidierte ARM bereits mit deutlich weniger starken Elektroschocks im Training gebildet wird als das instabile ASM. ARM und ASM unterliegen unterschiedliche molekulare und/oder neuronale Prozesse. Während in einer Mutante für das radish Gen selektiv ARM beeinträchtigt ist, werden andere Gene wie zum Beispiel amnesiac oder rutabaga ausschließlich für ASM benötigt (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). Die beiden letzteren sind Teil des cAMP Signalweges, welcher vermutlich hauptsächlich die cAMP abhängige Protein-Kinase A (PKA) aktiviert (Levin et al., 1992). Hier zeige ich, dass eine Null-Mutante für das evolutionär konservierte Phosphoprotein Synapsin einen selektiven Defekt in ASM hat. Weitere Experimente lassen vermuten, dass Synapsin als Effektor stromabwärts der cAMP/PKA Kaskade wirkt. Ähnlich wie bei Drosophila spielt Synaspin auch in Vertebraten eine Rolle in unterschiedlichen Lernparadigmen (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Auch in der Meeresschnecke Aplysia wurde eine PKA abhängige Phosphorylierung von Synapsin als Mechanismus für die Regulierung von Neurotransmitterausschüttung und Kurzzeitplastizität vorgeschlagen (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin wird für die Bildung eines Reserve-Pools von Vesikeln an der Präsynapse und für die Aufrechterhaltung der Vesikelausschüttung speziell bei anhaltender, hochfrequenter Stimulation von Nervenzellen benötigt (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). Im Gegensatz dazu wird Bruchpilot, ein Protein der aktiven Zone und homolog zu den ELKS/CAST Proteinen bei Säugern (Wagh et al., 2006), haupsächlich für sofortige Vesikelausschüttung gebraucht (Kittel et al., 2006). Bei wiederholter Stimulation an Motorneuronen einer bruchpilot Mutante ist die akute Vesikelausschüttung stark vermindert, während die darauf folgende andauernde Ausschüttung noch immer möglich ist (Kittel et al., 2006). Dazu passend beeinträchtigt eine künstliche Verminderung des Bruchpilot-Proteins die Ansammlung von Ca2+ Kanälen an den aktiven Zonen, sowie die Bildung von elektronendichten Strukturen (T-bars) an den präsynaptischen Endigungen. Deshalb akkumulieren weniger Vesikel des “readily-releasable” Pools an den Ausschüttungsstellen und die Ausschüttungswahrscheinlichkeit ist stark vermindert (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). In dieser Arbeit zeige ich zum ersten Mal, dass Bruchpilot für aversives olfaktorisches Gedächtnis benötigt wird. Der Ort an dem Bruchpilot hierfür gebraucht wird sind die Kenyon-Zellen des Pilzkörpers, die olfaktorischen Interneuronen zweiter Ordnung in Drosophila. Desweiteren zeige ich, dass die Funktion von Bruchpilot selektiv für das konsolidierte ARM ist. Da Synapsin spezifisch für das labile ASM benötigt wird, können diese beiden olfaktorischen Gedächtniskomponenten durch verschiedene synaptische Proteine getrennt werden, und zwei unterschiedliche Arten der Neurotransmitterausschüttung (abhängig von hoch- oder niedrig-frequenter Stimulation) könnten ASM und ARM auseinander halten.

Zars and co-workers were able to localize an engram of aversive olfactory memory to the mushroom bodies of Drosophila (Zars et al., 2000). In this thesis, I followed up on this finding in two ways. Inspired by Zars et al. (2000), I first focused on the whether it would also be possible to localize memory extinction.While memory extinction is well established behaviorally, little is known about the underlying circuitry and molecular mechanisms. In extension to the findings by Zars et al (2000), I show that aversive olfactory memories remain localized to a subset of mushroom body Kenyon cells for up to 3 hours. Extinction localizes to the same set of Kenyon cells. This common localization suggests a model in which unreinforced presentations of a previously learned odorant intracellularly antagonizes the signaling cascades underlying memory formation. The second part also targets memory localization, but addresses appetitive memory. I show that memories for the same olfactory cue can be established through either sugar or electric shock reinforcement. Importantly, these memories localize to the same set of neurons within the mushroom body. Thus, the question becomes apparent how the same signal can be associated with different events. It is shown that two different monoamines are specificaly necessary for formation of either of these memories, dopamine in case of electric shock and octopamine in case of sugar memory, respectively. Taking the representation of the olfactory cue within the mushroom bodies into account, the data suggest that the two memory traces are located in the same Kenyon cells, but in separate subcellular domains, one modulated by dopamine, the other by octopamine. Taken together, this study takes two further steps in the search for the engram. (1) The result that in Drosophila olfactory learning several memories are organized within the same set of Kenyon cells is in contrast to the pessimism expressed by Lashley that is might not be possible to localize an engram. (2) Beyond localization, a possibible mechanism how several engrams about the same stimulus can be localized within the same neurons might be suggested by the models of subcellular organisation, as postulated in case of appetitive and aversive memory on the one hand and acquisition and extinction of aversive memory on the other hand. / Troy Zars und seine Mitarbeiter konnten für das olfaktorische Elektoschockgedächtnis von Drosophila zum ersten mal die Spur eines Duftgedächtnisses in den Pilzkörpern (PK) lokalisieren. Darauf aufbauend stelle ich nun in dieser Arbeit zwei Fragen: 1. Wäre es möglich auch den Prozess der Auslöschung dieses Gedächtnissen zu lokalisieren? Obwohl die Verhaltensphysiologie der Gedächtnisauslöschung sehr gut charakterisiert sind weiss man sehr wenig über die daran beteiligten molekularen Signalmechanismen und Strukturen. In Anlehnung an die Arbeit von Zars et al. (2000) kann ich zeigen, dass sowohl die Speicherung wie auch die Auslöschung dieses Gedächt-nisses in den gleichen Kenyonzellen der PK geschieht. Diese gemeinsame zelluläre Lokalisierung legt ein Model nahe, in dem die wiederholte Präsentation des mit Elektro-schock assoziierten Duftes während der Auslöschung, intrazellulär auf die gleichen Signalwege wirkt die auch für die Bildung des Duftgedächtnisses notwendig sind. 2. Wäre es möglich auch die Spur eines attraktive Duftgedächtnisses zu lokalisieren? Ich kann zeigen, dass Gedächtnisse über den gleichen Duft sowohl attraktiv als auch repulsiv sein können, je nachdem ob Zucker oder Elektroshock während der pavlovschen Konditionierung benutzt wird. Beide Gedächtnisse sind im gleichen Satz von Kenyonzellen lokalisiert. Dies wirft die Frage auf, wie das gleiche Duftsignal mit zwei verschiedenen Ereignissen (Zucker und Elektroschock) assoziiert werden kann. Es zeigt sich, dass zwei unterschiedliche Monoamine jeweils spezifisch für das Anlegen eines der beiden Gedächtnisse verantwortlich sind; Dopamin für das Electroschockgedächtnis und Octopamin für das Zuckergedächtnis. Berücksichtigt man wie Duftreize in den PK kodiert sind, ergibt sich ein Model bei dem zwar beide Spuren in einer Zelle lokalisiert sind, diese jedoch durch die Nutzung unterschiedlicher subzellulärer Bereiche voneinander getrennt werden. Jeweils einer dieser Bereiche wäre durch Dopamin moduliert, der andere durch Octopamin. Das Fazit dieser Studie ist, dass zwei wichtige Punkte bei der Lokalisierung von Gedächtnis-spuren aufgezeigt wurden. (1) Die Tatsache, dass beim Duftlernen von Drosophila mehrere Spuren verschiedener Duftgedächtnisse lokalisiert worden sind widerlegt die von Lashley aufgestellte Behauptung, dass Gedächtnisse nicht lokalisierbar sind. (2) Verschiedene Spuren können für den gleichen Duft in den gleichen Zellen angelegt werden, sofern man eine subzelluläre Organisation annimmt, wie sie sowohl für Zucker- und Elektroschockgedächtnis, als auch Gedächtnisbildung und Auslöschen vorgeschlagen werden

It has been known for a long time that Drosophila can learn to discriminate not only between different odorants but also between different concentrations of the same odor. Olfactory associative learning has been described as a pairing between odorant and electric shock and since then, most of the experiments conducted in this respect have largely neglected the dual properties of odors: quality and intensity. For odorant-coupled short-term memory, a biochemical model has been proposed that mainly relies on the known cAMP signaling pathway. Mushroom bodies (MB) have been shown to be necessary and sufficient for this type of memory, and the MB-model of odor learning and short-term memory was established. Yet, theoretically, based on the MB-model, flies should not be able to learn concentrations if trained to the lower of the two concentrations in the test. In this thesis, I investigate the role of concentration-dependent learning, establishment of a concentration-dependent memory and their correlation to the standard two-odor learning as described by the MB-model. In order to highlight the difference between learning of quality and learning of intensity of the same odor I have tried to characterize the nature of the stimulus that is actually learned by the flies, leading to the conclusion that during the training flies learn all possible cues that are presented at the time. The type of the following test seems to govern the usage of the information available. This revealed a distinction between what flies learned and what is actually measured. Furthermore, I have shown that learning of concentration is associative and that it is symmetrical between high and low concentrations. I have also shown how the subjective quality perception of an odor changes with changing intensity, suggesting that one odor can have more than one scent. There is no proof that flies perceive a range of concentrations of one odorant as one (odor) quality. Flies display a certain level of concentration invariance that is limited and related to the particular concentration. Learning of concentration is relevant only to a limited range of concentrations within the boundaries of concentration invariance. Moreover, under certain conditions, two chemically distinct odorants could smell sufficiently similarly such, that they can be generalized between each other like if they would be of the same quality. Therefore, the abilities of the fly to identify the difference in quality or in intensity of the stimuli need to be distinguished. The way how the stimulus is analyzed and processed speaks in favor of a concept postulating the existence of two separated memories. To follow this concept, I have proposed a new form of memory called odor intensity memory (OIM), characterized it and compared it to other olfactory memories. OIM is independent of some members of the known cAMP signaling pathway and very likely forms the rutabaga-independent component of the standard two-odor memory. The rutabaga-dependent odor memory requires qualitatively different olfactory stimuli. OIM is revealed within the limits of concentration invariance where the memory test gives only sub-optimal performance for the concentration differences but discrimination of odor quality is not possible at all. Based on the available experimental tools, OIM seems to require the mushroom bodies the same as odor-quality memory but its properties are different. Flies can memorize the quality of several odorants at a given time but a newly formed memory of one odor interferes with the OIM stored before. In addition, the OIM lasts only 1 to 3 hours - much shorter than the odor-quality memory. / Assoziatives olfaktorisches Lernen bei Drosophila wurde ursprünglich als die Paarung eines Duftes mit einem elektrischen Bestrafungsreiz beschrieben. Seit langem ist dazu bekannt, daß Drosophila nicht nur lernen kann zwei Düfte zu unterscheiden, sondern auch verschiedene Konzentrationen desselben Dufts. Jedoch wird in den meisten auf diese Art durchgeführten Experimenten die Duftintensität weitestgehend ignoriert. - Für das olfaktorische Kurzzeitgedächtnis wurde ein biochemisches Modell vorgeschlagen, welches sich hauptsächlich auf die bekannte cAMP-Signalkaskade stützt. Es wurde gezeigt, dass die Pilzkörper (mushroom bodies, „MB“) notwendig und hinreichend für diese Art der Gedächtnisbildung sind und ein MB-Modell für Duftlernen und Kurzzeitgedächtnis konnte etabliert werden. Interessanterweise sollten Fliegen nach diesem Modell Konzentrationsunterschiede nur in einer Richtung lernen können. Sie würden den gelernten Duft nur gegenüber einer niedrigeren Konzentration wiedererkennen. In der vorliegenden Doktorarbeit habe ich das konzentrationsabhängige Duftlernen und seine Beziehung zum MB-Modell untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Fliege eine Gedächtnisspur für Geruchsintensität anlegt. Um den Unterschied zwischen dem Lernen einer Qualität und dem einer Intensität des gleichen Duftes hervorzuheben, habe ich versucht, den Reiz, der eigentlich von der Fliege gelernt wird, zu charakterisieren. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass die Fliege während des Trainings alle in diesem Zeitabschnitt präsentierten Reize erlernt. Erst der dem Training folgende Test scheint den Gebrauch der verfügbaren Information festzulegen. Diese Erkenntnis ist eine wesentliche Grundlage um zwischen dem Testergebnis und dem, was die Fliege gelernt hat zu unterscheiden. Ich habe außerdem gezeigt, daß das Konzentrationslernen eine Form assoziativen Lernens ist und, dass entgegen der Erwartung nach dem MB-Modell eine Symmetrie zwischen den Lernwerten für die hohe und niedrige Konzentration besteht. Es gibt keinen Beweis dafür, dass Fliegen eine Vielfalt von Konzentrationen desselben Duftes als ein und dieselbe (Duft-)Qualität wahrnehmen. Die Ergebnisse legen vielmehr nahe, dass sich bei einer größeren Veränderung der Intensität eines Duftes für die Fliege (wie in vielen Fällen auch beim Menschen) seine Qualität verändert. Demzufolge ist mit jedem Geruchsstoff mehr als nur eine Fliegen-subjektive Geruchsqualität verbunden. Fliegen zeigen andererseits in engen Grenzen Konzentrationsinvarianz. Sie generalisieren zwischen Konzentrationen eines Duftes innerhalb einer Konzentrationsdekade. Deshalb ist das Konzept des Konzentrationslernens nur für ein begrenztes Konzentrationsspektrum innerhalb der Grenzen der Konzentrationsinvarianz relevant. Des weiteren habe ich gezeigt, dass unter besonderen Bedingungen zwei chemisch verschiedene Düfte generalisiert werden können. Möglicherweise haben die beiden Düfte hinreichend "ähnliche" oder gleiche Fliegen-subjektive Qualität und können nur nach der Intensität unterschieden werden. Die Fliege hat die Fähigkeit im Test Unterschiede einerseits in der Qualität und andererseits in der Intensität des Reizes zu ermitteln. Die Art und Weise, wie der Reiz analysiert und verarbeitet wird, erfordern ein Konzept zweier getrennter Gedächtnisse. Dementsprechend habe ich eine neue Gedächtnisart, ein sogenanntes Duftintensitätsgedächtnis (OIM) vorgeschlagent und versucht dieses neben anderen olfaktorischen Gedächtnissen einzuordnen. Das OIM ist unabhängig bezüglich einiger Bestandteile des bekannten cAMP-Signalwegs und stellt höchstwahrscheinlich den rutabaga-unabhängigen Teil des Zwei-Düfte-Lernens dar. Das rutabaga-abhängige Duftgedächtnis benötigt qualitativ verschiedene Duftreize. Das OIM reicht lediglich für eine suboptimale Leistung aus, funktioniert aber in den Grenzen der Konzentrationsinvarianz, innerhalb derer die Diskriminierung und damit auch das Lernen der Duftqualität nicht möglich sind. Das OIM scheint wie die Duftqualitätsgedächtnisse die Pilzkörper zu benötigen. Aber die Art der Speicherung ist von der der Duftqualitätsgedächtnisse verschieden. Fliegen können viele Duftqualitäten zu einem bestimmten Zeitpunkt aus dem Gedächtnis abrufen, jedoch interferiert ein neu gebildetes Gedächtnis eines bestimmten Duftes mit dem bereits gespeicherten OIM. Außerdem ist das OIM für nur 1-3 Stunden stabil, was erheblich kürzer als beim Duftgedächtnis ist.

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.

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.

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.

Learning and memory processes of operant conditioning in the heat-box were analysed. Age, sex, and larval desity were not critical parameters influencing memory, while low or high activity levels of flies were negatively correlated with their performance. In a search for conditioning parameters leading to high retention scores, intermittent training was shown to give better results than continuous training. As the memory test is the immediate continuation of the conditioning phase just omitting reinforcement, we obtain a memory which consists of two components: a spatial preference for one side of the chamber and a stay-where-you-are effect in which the side preference is contaminated by the persistence of heat avoidance. Intermittent training strengthens the latter. In the next part, memory retention was investigated. Flies were trained in one chamber and tested in a second one after a brief reminder training. With this direct transfer, memory scores reflect an associative learning process in the first chamber. To investigate memory retention after extended time periods, indirect transfer experiments were performed. The fly was transferred to a different environment between training and test phases. With this procedure an after-effect of the training was still observed two hours later. Surprisingly, exposure to the chamber without conditioning also lead to a memory effect in the indirect transfer experiment. This exposure effect revealed a dispositional change that facilitates operant learning during the reminder training. The various memory effects are independent of the mushroom bodies. The transfer experiments and yoked controls proved that the heat-box records an associative memory. Even two hours after the operant conditioning procedure, the fly remembers that its position in the chamber controls temperature. The cAMP signaling cascade is involved in heat-box learning. Thus, amnesiac, rutabaga, and dunce mutants have an impaired learning / memory. Searching for, yet unknown, genes and signaling cascades involved in operant conditioning, a Drosophila melanogaster mutant screen with 1221 viable X-chromosome P-element lines was performed. 29 lines with consistently reduced heat avoidance/ learning or memory scores were isolated. Among those, three lines have the p[lacW] located in the amnesiac ORF, confirming that with the chosen candidate criteria the heat-box is a useful tool to screen for learning and /or memory mutants. The mutant line ignP1 (8522), which is defective in the gene encoding p90 ribosomal S6 kinase (S6KII), was investigated. The P-insertion of line ignP1 is the first Drosophila mutation in the ignorant (S6KII) gene. It has the transposon inserted in the first exon. Mutant males are characterized by low training performance, while females perform well in the standard experiment. Several deletion mutants of the ignorant gene have been generated. In precise jumpouts the phenotype was reverted. Imprecise jumpouts with a partial loss of the coding region were defective in operant conditioning. Surprisingly, null mutants showed wild-type behavior. This might indicate an indirect effect of the mutated ignorant gene on learning processes. In classical odor avoidance conditioning, ignorant null mutants showed a defect in the 3-min, 30-min, and 3-hr memory, while the precise jumpout of the transposon resulted in a reversion of the behavioral phenotype. Deviating results from operant and classical conditioning indicate different roles for S6KII in the two types of learning. / Es wurden die Lern- und Gedächtnisprozesse bei der operanten Konditionierung in der Hitzekammer untersucht. Alter, Geschlecht und Larvendichte waren keine kritischen Parameter, die das Gedächtnis beeinflussten, während sowohl niedrige als auch hohe Laufaktivität der Fliegen mit deren Performance negativ korreliert war. Auf der Suche nach Konditionierungsparametern, die zu hohen Gedächtniswerten führen, lieferte ein Training mit mehreren Training/Test-Intervallen bessere Ergebnisse als ein kontinuierliches Training. Da der Gedächtnistest, bei dem die Hitze abgestellt wird, direkt im Anschluß an die Konditionierungsphase erfolgt, erhalten wir einen Gedächtniswert, der zwei Komponenten beinhaltet: eine räumliche Präferenz für eine Kammerhälfte und einem "bleib-wo-du-bist Effekt", der sich aus Seitenpräferenz und langanhaltender Hitzevermeidung per se zusammensetzt. Ein Training mit mehreren Training/Test-Intervallen verstärkt letzteren Effekt. Im nächsten Teil meiner Arbeit wurde der Gedächtnisabfall untersucht. Fliegen wurden in einer Kammer trainiert und nach einem kurzen Erinnerungstraining in einer zweiten Kammer getestet. In diesem direkten Transfer spiegeln die Gedächtniswerte einen assoziativen Lernprozeß wieder, der in der ersten Kammer stattfindet. Um den Gedächtnisabfall nach längeren Zeitintervallen untersuchen zu können, wurden indirekte Transferexperimente durchgeführt. Die Fliege wurde dazu zwischen Trainings- und Testphasen in eine andere Umgebung gebracht. Mit Hilfe dieser Methode konnte ein Nacheffekt noch zwei Stunden nach dem Training beobachtet werden. Überraschenderweise führt im indirekten Transferexperiment ein Aufenthalt in der Kammer auch ohne Konditionierung zu einem Gedächtniseffekt. Dieser "Aufenthaltseffekt" spiegelt eine dispositionelle Veränderung wieder, die das operante Lernen während des Erinnerungstrainings begünstigt. Die verschiedenen Gedächtniseffekte sind pilzkörperunabhängig. Transferexperimente und Yoked-Kontrollen zeigten, dass in der Hitzekammer assoziatives Gedächtnis gemessen wird. Selbst zwei Stunden nach der operanten Konditionierung, erinnert sich die Fliege daran, dass ihre Position in der Kammer die dortige Temperatur kontrolliert. Die cAMP Signaltransduktionskaskade ist an den Lernprozessen der Fliegen in der Hitzekammer beteiligt. amnesiac, rutabaga und dunce Mutanten haben daher eine verminderte Lern- / Gedächtnisleistung. Um nach bisher unbekannten Genen und Signalkaskaden zu suchen, die in der operanten Konditionierung eine Rolle spielen, wurde ein Drosophila melanogaster Mutanten Screen mit 1221 lebensfähigen X-chromosomalen P-element Linien durchgeführt. 29 Linien mit konsistet reduzierten Lern- oder Gedächtniswerten wurden isoliert. Darunter befanden sich drei Linien mit einer p[lacW] Insertion im amnesiac ORF. Dieses Ergebnis bestätigt, dass die Hitzekammer mit den gewählten Kriterien ein hilfreiches Werkzeug bei der Suche nach Lern- und / oder Gedächtnismutanten ist. Die Mutante ignP1 (8522), die im Gen für p90 ribosomale S6 kinase (S6KII) einen Defekt besitzt, wurde untersucht. Die P-Insertion des ignP1 Stammes ist die erste Mutation im ignorant (S6KII) Gen. Das Transposons ist im ersten Exon inseriert. Männliche Mutanten sind durch eine niedrige Trainingsperformance gekennzeichnet, während sich Weibchen im Standardexperiment wildtypisch verhalten. Mehrere Deletionsmutanten im ignorant Gen wurden hergestellt. In präzisen Exzisionslinien war der Phänotyp revertiert, während impräzise Exzisionslinien mit teilweisem Verlust der kodierenden Region in der operanten Konditionierung einen Defekt zeigten defekt. Überraschenderweise wurde bei Nullmutanten wildtypisches Verhalten beobachtet. Dies könnte auf einen indirekten Effekt des mutierten ignorant Gens auf Lernprozesse hindeuten. Bei der klassischen Duftkonditionierung zeigten ignorant Nullmutanten einen Defekt im 3-min, 30-min und 3-Stunden Gedächtnis, während präzise Exzisionen des Transposons zu einer Reversion des Verhaltensphänotyps führten. Voneinander abweichende Ergebnisse bei der operanten und klassischen Konditionierung weisen darauf hin, dass S6KII unterschiedliche Rollen in diesen Formen des Lernens spielt.

In dieser Doktorarbeit habe ich die Regulation der Expression des zuckerbelohnten Verhaltens durch den Fütterungszustand bei Drosophila melanogaster untersucht. Die Fliegen können während einer Trainingsphase mit Hilfe einer Zuckerbelohnung auf einen bestimmten Duft konditioniert werden. Nach dem Training können die Fliegen dann auf das olfaktorische Gedächtnis getestet werden. Die Bereitschaft das zuckerkonditionierte Gedächtnis im Test zu zeigen wird vom Fütterungszustand kontrolliert, wie ich in Übereinstimmung mit den Ergebnissen früherer Arbeiten demonstrierte (Tempel et al. 1983; Gruber 2006; Krashes et al. 2008). Nur nicht gefütterte Fliegen exprimieren das Gedächtnis, während Fütterungen bis kurz vor dem Test eine reversibel supprimierende Wirkung haben. Einen ähnlichen regulatorischen Einfluss übt der Futterentzug auch auf die Expression anderer futterbezogener Verhaltensweisen, wie z.B. die naive Zuckerpräferenz, aus. Nachdem ich den drastischen Einfluss des Fütterungszustands auf die Ausprägung des zuckerkonditionierten Verhaltens gezeigt bzw. bestätigt hatte, habe ich nach verhaltensregulierenden Faktoren gesucht, die bei einer Fütterung die Gedächtnisexpression unterdrücken. Als mögliche Kandidaten untersuchte ich Parameter, die zum Teil bereits bei verschiedenen futterbezogenen Verhaltensweisen unterschiedlicher Tierarten als „Sättigungssignale“ identifiziert worden waren (Marty et al. 2007; Powley and Phillips 2004; Havel 2001; Bernays and Chapman 1974; Simpson and Bernays 1983; Gelperin 1971a). Dabei stellte sich heraus, dass weder die „ernährende“ Eigenschaft des Futters, noch ein durch Futteraufnahme bedingter Anstieg der internen Glukosekonzentration für die Suppression des zuckerkonditionierten Gedächtnisses notwendig sind. Die Unterdrückung der Gedächtnisexpression kann auch nicht durch Unterschiede in den aufgenommenen Futtermengen, die als verhaltensinhibitorische Dehnungssignale des Verdauungstrakts wirken könnten, oder mit der Stärke des süßen Geschmacks erklärt werden. Die Suppression des zuckerbelohnten Verhaltens folgte den Konzentrationen der gefütterten Substanzen und war unabhängig von deren chemischen Spezifität. Deshalb wird die Osmolarität des aufgenommenen Futters als ein entscheidender Faktor für die Unterdrückung der zuckerkonditionierten Gedächtnisexpression angenommen. Weil nur inkorporierte Substanzen einen Unterdrückungseffekt hatten, wird ein osmolaritätsdetektierender Mechanismus im Körper 67 postuliert, wahrscheinlich im Verdauungstrakt und/oder der Hämolymphe. Die Hämolymphosmolarität ist als „Sättigungssignal“ bei einigen wirbellosen Tieren bereits nachgewiesen worden (Bernays and Chapman 1974; Simpson and Raubenheimer 1993; Gelperin 1971a; Phifer and Prior 1985). Deshalb habe ich mit Hilfe genetischer Methoden und ohne die Fliegen zu füttern, versucht über einen künstlich induzierten Anstieg der Trehaloseund Lipidkonzentrationen die Osmolarität der Hämolymphe in Drosophila zu erhöhen. Eine solche konzentrationserhöhende Wirkung für Lipide und die Trehalose, dem Hauptblutzucker der Insekten, ist bereits für das adipokinetische Hormon (AKH), das von Zellen der Corpora cardiaca exprimiert wird, nachgewiesen worden (Kim and Rulifson 2004; Lee and Park 2004; Isabel et al. 2005). Es stellte sich heraus, dass die künstliche Stimulierung AKH-produzierender Neurone das zuckerkonditionierten Verhalten temporär, reversible und selektiv unterdrückt. Gleiche Behandlungen hatten keinen Effekt auf ein aversiv konditioniertes olfaktorisches Gedächtnis oder ein naives Zuckerpräferenzverhalten. Wie aus dieser Arbeit hervorgeht, stellt wahrscheinlich die Osmolarität des Verdauungstrakts und der Hämolymphe oder nur der Hämolymphe ein physiologisches Korrelat zum Fütterungszustand dar und wirkt als unterdrückendes Signal. Dass Fütterungen das zuckerkonditionierte Verhalten und die Zuckerpräferenz supprimieren, die künstliche Stimulation AKH-produzierender Zellen aber selektiv nur die zuckerbelohnte Gedächtnisexpression unterdrückt, deutet auf mindestens zwei unterschiedliche „Sättigungssignalwege“ hin. Außerdem macht es deutlich wie uneinheitlich futterbezogene Verhaltensweisen, wie das zuckerbelohnte Verhalten und die naive Zuckerpräferenz, reguliert werden. / In this work I investigated the regulation of the expression of the sugar conditioned behavior by feeding states in Drosophila melanogaster. During the training flies are able to associate an odor with a sugar reward. During the test these flies have the opportunity to show their odor memory. In accordance with previous findings (Tempel et al. 1983; Gruber 2006; Krashes et al. 2008), I also showed that the readiness to express sugar conditioned memory is controlled by the feeding state. The memory was only displayed by starved flies, whereas feedings of the flies until the test cause a reversible and temporary suppression of conditioned behavior. Feeding states similarly influence the expression of other food-related behaviors like sugar preference. After I have showed/confirmed the drastic influence of feeding state on sugar conditioned behavior, I tried to search for factors which suppress the memory expression of conditioned flies during feeding. Therefore I verified physiological parameters as promising candidates which have already been identified as “satiation-signals” for different food-related behaviors through the animal kingdom (Marty et al. 2007; Powley and Phillips 2004; Havel 2001; Bernays and Chapman 1974; Simpson and Bernays 1983; Gelperin 1971a). As the results revealed, neither the nutritional value of the available food nor an increase of the internal glucose-concentrations were necessary for suppressing conditioned behavior. Furthermore differences in sweet taste and in the amount of the ingested food, which likely serve as volumetric signals of the digestive system, were not critical determinants for inhibition of the memory expression. Because suppression followed the concentration of the substances independent of the chemical specificity, I conclude that the osmolarity of the ingested food is a critical factor for inhibition of sugar conditioned behavior. Only ingested substances were suppressive. Therefore an internal osmolarity-detecting mechanism is postulated, most probably in the digestive system or the hemolymph. Hemolymph-osmolarity has already been shown as a “satiation-signal” for some invertebrates (Bernays and Chapman 1974; Simpson and Raubenheimer 1993; Gelperin 1971a; Phifer and Prior 1985). Thus I tried to increase the hemolymph-osmolarity by an artificially induced rise of the concentration of lipids and trehalose, the main blood sugar of insects. A concentration-increasing effect such like this has already been shown for the adipokinetic hormone (AKH), which is expressed in cells of the corpora cardiaca (Kim and Rulifson 2004; Lee and Park 2004; Isabel et al. 2005). I demonstrated that an artificial stimulation of AKH69 producing neurons induces the suppression of sugar conditioned behavior, but leaves aversive conditioned behavior and naïve sugar preference unchanged. This work indicates that the osmolarity of the digestive system and the hemolymph or only of the hemolymph serves as (a) physiological correlate(s), which signals suppression. Feeding induced inhibition of the expression of sugar conditioned behavior and naïve sugar preference, whereas the artificial stimulation of AKH-producing cells selectively inhibited sugar rewarded memory expression alone. Thus I assume at least two separable “satiation”-pathways. Moreover these results demonstrate the non-uniform regulation of different food-related behaviors like sugar conditioned behavior and naïve sugar preference.