Univ., Diss., 2008--Würzburg. / Enth. 3 Sonderabdr. aus verschiedenen Zeitschr. Beitr. engl.

University, Diss., 2006--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Berlin.

Techn. University, Diss., 2004--Dresden.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Universiẗat, Diss., 2006--Giessen.

Since the fruit fly Drosophila melanogaster entered the laboratories as a model organism, new genetic, physiological, molecular and behavioral techniques for the functional analysis of the brain rapidly accumulated. Nowadays this concerted assault obtains its main thrust form Gal4 expression patterns that can be visualized and provide the means for manipulating -in unrestrained animals- groups of neurons of the brain. To take advantage of these patterns one needs to know their anatomy. This thesis describes the Virtual Insect Brain (VIB) protocol, a software package for the quantitative assessment, comparison, and presentation of neuroanatomical data. It is based on the 3D-reconstruction and visualization software Amira (Mercury Inc.). Its main part is a standardization procedure which aligns individual 3D images (series of virtual sections obtained by confocal microscopy) to a common coordinate system and computes average intensities for each voxel (volume pixel). The VIB protocol facilitates direct comparison of gene expression patterns and describes their interindividual variability. It provides volumetry of brain regions and helps to characterize the phenotypes of brain structure mutants. Using the VIB protocol does not require any programming skills since all operations are carried out at a (near to) self-explanatory graphical user interface. Although the VIB protocol has been developed for the standardization of Drosophila neuroanatomy, the program structure can be used for the standardization of other 3D structures as well. Standardizing brains and gene expression patterns is a new approach to biological shape and its variability. Using the VIB protocol consequently may help to integrate knowledge on the correlation of form and function of the insect brain. The VIB protocol provides a first set of tools supporting this endeavor in Drosophila. The software is freely available at http://www.neurofly.de. / Seitdem die Taufliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus Einzug in die Forschung erhalten hat, sammeln sich mehr und mehr genetische, physiologische und molekulare Techniken für die Funktionsanalyse des Gehirns an. Diese beruhen heutzutage meist auf Gal4 Expressionsmustern, die sichtbar gemacht werden können und eine gezielte Manipulierung von definierten Zellgruppen ermöglichen. Um Ergebnisse verschiedener Untersuchungen miteinander in Beziehung setzen zu können, muss man jedoch die typische Anatomie der zugrunde liegenden Expressionsmuster kennen. Diese Arbeit beschreibt das Virtual Insect Brain (VIB) Protokoll, eine Software für die Darstellung, die quantitative Einschätzung und den Vergleich von neuroanatomischen Daten, sowie einige exemplarische Anwendungen des VIB Protokolls. Die Software basiert auf der 3D-Rekonstruktions- und der Visualisierungs-Software Amira (Mercury Inc.). Sein Hauptbestandteil ist ein Normierungverfahren, das 3D-Bild-Stapel (Folgen virtueller Schnittbilder, erhalten durch konfokale Mikroskopie) auf ein gemeinsames Koordinatensystem abbildet und für jedes Voxel (dreidimensionaler Bildpunkt) die durchschnittliche Intensität berechnet. Das VIB Protokoll erleichtert dadurch den direkten Vergleich von Expressionsmustern und beschreibt ihre interindividuelle Variabilität. Es liefert volumetrische Messungen zu definierten Gehirnregionen und hilft, die durch Mutation entstehenden Veränderungen der Gehirnstruktur zu erkennen. Das Verwenden des VIB Protokolls erfordert keinerlei Programmierkenntnisse, da alle Vorgänge auf einer selbsterklärenden graphischen Benutzeroberfläche ausgeführt werden können. Obgleich das VIB Protokoll für die Normierung der Neuroanatomy von Taufliegen entwickelt worden ist, kann die Programmstruktur auch für die Normierung anderer 3D-Strukturen benutzt werden. Gehirne und Expressionsmuster zu standardisieren ist ein neuer Ansatz die Variabilität der Neuroanatomie zu hinterfragen. Bei konsequenter Verwendung kann das VIB Protokoll helfen Wissen über Form und Funktion des Insektengehirns zu miteinander zu vernetzen. Das VIB Protokoll liefert einen ersten Satz Werkzeuge, die diese Bemühung in der Taufliege ermöglichen. Die Software kann kostenfrei von http://www.neurofly.de herunter geladen werden.

Das biogene Amin Oktopamin moduliert verschiedene Verhaltensweisen in Invertebraten. In verschiedenen Insektenspezies, wie Heuschrecken, Grillen oder Schaben, ist die Funktion und die Architektur des peripheren oktopaminergen Systems auf Einzelzellebene bekannt. Um die zelluläre Grundlage für die verschiedenen Funktionen von Oktopamin im Zentralnervensystem zu verstehen, ist eine detaillierte Analyse der Architektur des zentralen oktopaminergen Systems notwendig. Innerhalb meiner Doktorarbeit fertigte eine anatomische Karte individueller oktopaminerger Neurone des adulten Hirns von Drosophila an. Ich nutzte die Flp-out Technik, um einzelne oktopaminerge Neurone anzufärben. Anhand ihrer Projektionsmuster konnte ich 28 verschiedene Zelltypen in vier Oktopamin-immunoreaktiven Zellclustern identifizieren. Ihre Morphologie sowie die Verteilung genetischer Marker zeigte, dass die meisten Zelltypen mehrere Neuropile innervieren und dabei eine klare Trennung von Prä- und Postsynaptischen Regionen aufweisen. Die Mehrheit der Zelltypen bildet dendritische Verzweigungen in einer bestimmten Region, der posterioren Slope. Jedoch innerviert jeder Zelltyp stereotyp eine bestimmte Kombination von Zielregionen im Gehirn. Das deutet stark darauf hin, dass oktopaminerge Neurone kombinatorisch organisiert sind: Jedes individuelle Neuron scheint Komponente eines spezifischen neuronalen Schaltkreises zu sein. Dabei könnte jeder Zelltyp eine Art “Modul” darstellen, das selektiv bestimmte Funktionen in den jeweiligen Zielregionen moduliert. Das oktopaminerge Mittelliniencluster des Subösophagealen Ganglions zeigt eine besondere zelluläre Organisation. Es besteht aus gepaarten und ungepaarten Neuronen, die des Zentralgehirn mit extensiven Verzweigungen versorgen. Um die Ordnung hinter dieser komplexen Organisation zu verstehen, wurden die segmentale Organistion der Mittellinienneurone auf Einzelzellebene analysiert und ihre embryonalen Anlagen verglichen. Letzteres ermöglichte die morphologische Analyse von einzelnen oktopaminergen Mittellinienklonen. OA-VPM und OA-VUM Neurone bilden zusammen drei Subcluster im Subösophagealen Ganglion, die wahrscheinlich die drei gnathalen Neuromere repräsentieren. Alle OA-VUM Neurone stammen von der embryonalen Mittellinie ab. In den mandibularen und maxillaren Neuromeren formen sie morphologisch identische Zelltypen, mit stereotypen Innervationsmustern. OA-VPM Neurone gehen nicht aus der embryonalen Mittellinie hervor und sind nicht segmental dupliziert. Diese Arbeit vermittelt nicht nur einen Eindruck über die Architektur individueller oktopaminerger Neurone, sondern auch über die Organisation des oktopaminergen Systems auf Einzelzellebene. / The biogenic amine octopamine modulates divers behaviors in invertebrates. In different insect species, such as locusts, crickets, or cockroaches, the function and organization of the peripheral octopaminergic system is understood at single cell level. To understand the basis for the divers octopamine functions within the central nervous system, a detailed morphological analysis of central octopaminergic neurons is necessary. In my Ph.D. I generated an anatomical map of individual octopaminergic neurons in the Drosophila brain. I utilized the Flp-out technique, to label individual octopaminergic neurons. By their projection pattern I categorized 28 different cell types in four octopamine-immunoreactive cell clusters. Their morphology and the distribution of genetic markers indicates that most of the cell types innervate multiple neuropiles and exhibit a clear separation of dendritic and presynaptic regions: The majority of cell types forms spiny ramifications in one particular brain region, the posterior slope. However, each cell type stereotypically innervates a distinct set of target regions throughout the brain. This suggests that octopaminergic neurons are organized in a combinatorial way. Each individual neuron seems to be a component of a specif neuronal circuitry. This way each cell type could represent a modul, which selectively modulates neuronal processes in its respective target regions. The octopaminergic midline cluster of the suboesophageal ganglion shows a special cellular organization. It consists of paired and unpaired neurons, which supply the central brain with extensive ramifications. To understand the rule behind this complex organization, the segmental organization and developmental origin of midline neurons was analyzed at single cell level. The latter was achieved by analyzing the morphology of individual octopaminergic midline clones. OA-VPM and OA-VUM neurons form three subclusters in the suboesophageal ganglion, which most likely represent the three gnathal neuromeres. All OA-VUM neurons derive from the embryonic midline. In the mandibular and maxillary neuromere they form morphologically identical cell types with stereotypic Innervation patterns. OA-VPM neurons do not derive from the embryonic midline and are not segmentally duplicated. This study not only gives an impression of the architecture of individual octopaminergic neurons, but also about the organization of the octopaminergic system at single cell level.

In leaf-cutting ants (genera Atta and Acromyrmex), the worker caste exhibits a pronounced size-polymorphism, and division of labor is largely dependent on worker size (alloethism). Behavioral studies have shown a rich diversity of olfactory-guided behaviors, and the olfactory system seems to be highly developed and very sensitive. To allow fine-tuned behavioral responses to different tasks, adaptations within the olfactory system of different sized workers are expected. In a recent study, two different phenotypes of the antennal lobe of Atta vollenweideri workers were found: MG- and RG-phenotype (with and without a macroglomerulus, MG). The existence of the macroglomerulus is correlated to the body size of workers, with small workers showing the RG-phenotype and large workers showing the MG-phenotype. In the MG, the information about the releaser component of the trail-pheromone is processed. In the first part of my PhD-project, I focus on quantifying behavioral differences between different sized workers in Atta vollenweideri. The study analyzes the trail following behavior; which can be generally performed by all workers. An artificial trail consisting of the releaser component of the trail-pheromone in decreasing concentration was used to test the trail-following performance of individual workers. The trail-following performance of the polymorphic workers is depended of the existence of the MG in the antennal lobe. Workers possessing the MG-phenotype were significantly better in following a decreasing trail then workers showing the RG-phenotype. In the second part I address the question if there are more structural differences, besides the MG, in the olfactory system of different sized workers. Therefore I analyze whether the glomerular numbers are related to worker size. The antennal lobes of small workers contain ~390 glomeruli (low-number; LN-phenotype), and in large workers I found a substantially higher number of ~440 glomeruli (high-number; HN-phenotype). All LN-phenotype workers and some of the small HN-phenotype workers do not possess an MG (LN-RG-phenotype and HN-RG-phenotype) at all, whereas the remaining majority of HN-phenotype workers do possess an MG (HN-MG-phenotype). Mass-stainings of antennal olfactory receptor neurons revealed that the sensory tracts divide the antennal lobe into six clusters of glomeruli (T1-T6). In the T4-cluster ~50 glomeruli are missing in the LN-phenotype workers. Selective staining of single sensilla and their associated receptor neurons showed that T4-glomeruli are innervated by receptor neurons from the main type of olfactory sensilla, the Sensilla trichodea curvata which are also projecting to glomeruli in all other clusters. The other type of olfactory sensilla, the Sensilla basiconica, exclusively innervates T6-glomeruli. Quantitative analyses revealed a correlation between the number of Sensilla basiconica and the volume of T6 glomeruli in different sized workers. The results of both behavioral and neuroanatomical studies in Atta vollenweideri suggest that developmental plasticity of antennal-lobe phenotypes promotes differences in olfactory-guided behavior which may underlie task specialization within ant colonies. The last part of my project focuses on the evolutionary origin of the macroglomerulus and the number of glomeruli in the antennal lobe. I compared the number, volumes and position of the glomeruli of the antennal lobe of 25 different species from all three major Attini groups (lower, higher and leaf-cutting Attini). The antennal lobes of all investigated Attini comprise a high number of glomeruli (257-630). The highest number was found in Apterostigma cf. mayri. This species is at a basal position within the Attini phylogeny, and a high number of glomeruli might have been advantageous in the evolution of the advanced olfactory systems of this Taxa. The macroglomerulus can be found in all investigated leaf-cutting Attini, but in none of the lower and higher Attini species. It is found only in large workers, and is located close to the entrance of the antennal nerve in all investigated species. The results indicate that the presence of a macroglomerulus in large workers of leaf-cutting Attini is a derived overexpression of a trait in the polymorphic leaf-cutting species. It presumably represents an olfactory adaptation to elaborate foraging and mass recruitment systems, and adds to the complexity of division of labor and social organization known for this group. / Die Arbeiterinnenkaste der Blattschneideameisen zeigt einen ausgeprägten Größenpolymorphismus. Man findet hier einen Alloethismus; unterschiedlich große Arbeiterinnen führen verschiedene Arbeiten im Stock durch. Verschiedene Verhaltensversuche haben gezeigt, dass viele Verhaltensweisen der Arbeiterinnen olfaktorisch gesteuert werden und dass das olfaktorische System hoch entwickelt und sehr sensitiv ist. Es ist wahrscheinlich, dass sich im olfaktorischen System verschieden großer Arbeiterinnen Anpassungen finden lassen, die gut abgestimmte Verhaltensantworten auf die verschiedenen Aufgaben der Tiere ermöglichen. Und tatsächlich zeigt eine aktuelle Studie, dass zwei verschiedene Phänotypen des Antennallobus der Arbeiterin bei Atta vollenweideri existieren, der MG- und der RG-Phänotyp (mit oder ohne Makroglomerulus, MG). Die Existenz des Makroglomerulus kann mit der Körpergröße der Tiere korreliert werden: bei kleinen Arbeiterinnen findet man den RG-Phänotyp, bei großen den MG-Phänotyp. Im Makroglomerulus wird die olfaktorische Information über den verhaltensauslösenden Bestandteil des Spurpheromons verarbeitet. Im ersten Tel meiner Doktorarbeit versuche ich, Verhaltensunterschiede verschieden großer Atta vollenweideri Arbeiterinnen zu quantifizieren. Dazu konzentriere ich mich auf das Spurfolgeverhalten, dass bei Arbeiterinnen jeder Größe beobachtet werden kann. Um die Spurfolgeleistung einzelner Arbeiterinnen zu testen, wurde eine künstlich gelegte Spur mit abnehmender Konzentration des verhaltensauslösenden Bestandteils des Spurpheromons verwendet. Die Spurfolgeleistung der Arbeiterinnen hängt von der Existenz des Makroglomerulus im Antennallobus ab. Im zweiten Teil meiner Doktorarbeit untersuche ich die Neuroanatomie des olfaktorischen Systems bei verschieden großen Atta vollenweideri Arbeiterinnen auf eventuelle weitere anatomische Unterschiede neben dem Makroglomerulus – im Besonderen ob die Anzahl an Glomeruli bei verschieden großen Tieren unterschiedlich ist. Die Antennalloben kleiner Arbeiterinnen beinhalten cirka 390 Glomeruli (geringe Anzahl, LN-Phänotyp), die Antennalloben großer Arbeiterinnen dagegen cirka 440 Glomeruli (hohe Anzahl, HN-Phänotyp). Alle Arbeiterinnen mit dem LN-Phänotyp und einige mit dem HN-Phänotyp besitzen keinen Makroglomerulus (LN-RG-Phänotyp und HN-RG-Phänotyp). Die meisten Tiere mit HN-Phänotyp besitzen jedoch einen Makroglomerulus (HN-MG-Phänotyp). Massenfärbungen der olfaktorischen Rezeptorneuron-Axone zeigen, dass der Antennennerv sich in sechs Trakte teilt und so die Glomeruli in sechs verschiedene Glomerulicluster unterteilt werden können (T1-T6). Bei den Arbeiterinnen mit LN-Phänotyp fehlen cirka 50 Glomeruli im T4-Cluster. Einzelsensillenfärbungen zeigen, dass die Rezeptorneuronen der olfaktorischen Sensilla trichodea curvata alle sechs Cluster, also auch das T4-Cluster innervieren. Ein weiterer Sensillentyp, die Sensilla basiconica, innerviert ausschließlich Glomeruli im T6-Cluster. Quantitative Analysen ergeben eine Korrelation zwischen der Anzahl der Sensilla basiconica auf der Arbeiterinnenantenne und des durchschnittlichen Volumens der T6-Glomeruli bei verschieden großen Tieren. Die Ergebnisse der Verhaltensversuche und der neuroanatomischen Studien könnten darauf hinweisen, dass Unterschiede im Verhalten auf olfaktorische Reize möglicherweise durch die Entwicklungsplastizität der Antenallobus-Phänotypen ausgelöst werden. Dies könnte innerhalb der Kolonie die Grundlage der Spezialisierung von Arbeiterinnen auf bestimmte Arbeiten sein. Den letzten Teil meiner Doktorarbeit nimmt eine Untersuchung über den evolutionären Ursprung des Makroglomerulus und der Anzahl der Glomeruli im Antennallobus ein. Dazu verglich ich in den Antennalloben 25 verschiedener Arten aus den drei Attini-Gruppen (basale, höhere und blattschneidende Attini) die Anzahl, das Volumen und die Position der Glomeruli. Die Antennalloben aller untersuchten Arten bestehen aus sehr vielen Glomeruli (257-630). Der Makroglomerulus findet sich in allen untersuchten blattschneidenden Attini-Arten, aber nie in den untersuchten basalen und höheren Attini-Arten. Er findet sich nur bei größeren Arbeiterinnen und befindet sich immer in der Nähe des Antennennerveingangs. Dies bedeutet, dass es sich bei der Existenz des Makroglomerulus in den großen Blattschneidearbeiterinnen um eine abgeleitete Überexpression eines Merkmals innerhalb der polymorphen blattschneidenden Attini-Arten handelt. Der Makroglomerulus ist wahrscheinlich eine olfaktorische Anpassung an das hoch entwickelte Fouragier- und Rekrutiersystem dieser Arten. Er ist ein Baustein der komplexen Arbeitsteilung und der komplexen sozialen Organisation, die für die Arten dieser Gruppe bekannt sind.