Hintergründe: Wie eine Vielzahl von Studien belegt, kann das explizite Gedächtnis, das die bewusste Erinnerung an enkodierte Informationen beinhaltet, durch Emotionen beeinflusst werden, und zwar über den Einfluss auf verschiedene Verarbeitungsebenen (Enkodierung, Konsolidierung, Abruf usw.). Bisher wenig untersucht ist, ob und wie Emotionen Vorgänge der motorischen Gedächtnisbildung, die nicht auf bewusster Erinnerung beruhen und sich stattdessen durch Veränderungen im Verhalten darstellen, modulieren. Experiment 1: Das Ziel des ersten Experimentes war es, den Einfluss von Emotionen auf motorisches Lernen zu untersuchen. Vier Gruppen von Probanden mussten in einer motorischen Lernaufgabe schnelle, seitliche Bewegungen mit dem Daumen ausführen. Während dieser Aufgabe hörten die Probanden emotionale Klänge, die in Valenz und Arousal variierten: 1. Valenz negativ/ Arousal niedrig (V-/A-), 2. Valenz negativ/ Arousal hoch (V-/A+), 3. Valenz positiv/ Arousal niedrig (V+/A-), 4. Valenz positiv/ Arousal hoch (V+/A+). Die deskriptive Analyse aller Daten sprach für beste Ergebnisse für das motorische Lernen in der Bedingung V-/A-, aber die Unterschiede zwischen den Bedingungen waren nicht signifikant. Die Interaktion zwischen Valenz und Arousal emotionaler Töne scheint demnach motorische Enkodierungsprozesse zu modulieren, jedoch müssen zukünftige Studien mit unterschiedlichen emotionalen Stimuli die Annahme weiter untersuchen, dass negative Stimuli mit niedrigem Arousal während der Enkodierung einen fördernden Effekt auf das motorische Kurzzeitgedächtnis haben. Experiment 2: Die Absicht des zweiten Experimentes war es, die Auswirkungen emotionaler Interferenzen auf die Konsolidierung beim Sequenzlernen zu untersuchen. Sechs Gruppen von Probanden trainierten zuerst in getrennten Sitzungen eine SRTT-Aufgabe (serial reaction time task). Um die Konsolidierung der neu erlernten Fertigkeit zu modulieren, wurden die Probanden nach dem Training einer von drei unterschiedlichen Klassen emotionaler Stimuli (positiv, negativ oder neutral) ausgesetzt. Diese bestanden aus einem Set emotionaler Bilder, die mit emotional kongruenten Musikstücken oder neutralen Klängen kombiniert waren. Bei den Probandengruppen wurde die emotionale Interferenz nach zwei unterschiedlichen Zeitintervallen realisiert, entweder direkt nach der Trainingssitzung oder sechs Stunden später. 72 Stunden nach der Trainingssitzung wurde jede Gruppe erneut mit der SRTT-Aufgabe getestet. Die Leistung in diesem Nachtest wurde mittels Reaktionszeit und Genauigkeit bei der Ausführung der Zielsequenz analysiert. Die emotionale Interferenz beeinflusste weder die Nachtestergebnisse für die Reaktionszeit noch die für die Genauigkeit. Allerdings konnte eine Steigerung der expliziten Sequenzerkennung durch erregende negative Stimuli festgestellt werden, wenn diese direkt nach der ersten Trainingseinheit (0h) dargeboten wurden. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass die Konsolidierung der expliziten Aspekte prozeduralen Lernens in einer stärkeren Wechselwirkung mit emotionalen Interferenzen stehen könnte als die der impliziten Aspekte. Die Konsolidierung unterschiedlicher Ebenen des Fertigkeitserwerbs könnte demnach von unterschiedlichen Mechanismen gesteuert werden. Da Performanz und explizites Sequenzerkennen nicht korrelierten, vermuten wir, dass implizite und explizite Modalitäten bei der Durchführung der SRTT-Aufgabe nicht komplementär sind. Experiment 3: Es sollte untersucht werden, ob es eine Präferenz der linken Gehirnhemisphäre bei der Kontrolle von Flexionsreaktionen auf positive Stimuli gibt und der rechten Hemisphäre bei der Kontrolle von Extensionsreaktionen auf negative Stimuli. Zu diesem Zweck sollten rechtshändige Probanden einen Joystick zu sich ziehen oder von sich weg drücken, nachdem sie einen positiven oder negativen Stimulus in ihrem linken oder rechten Gesichtsfeld gesehen hatten. Die Flexionsreaktionen waren bei positiven Stimuli schneller, Extensionsreaktion hingegen bei negativen Stimuli. Insgesamt war die Performanz am schnellsten, wenn die emotionalen Stimuli im linken Gesichtsfeld präsentiert wurden. Dieser Vorrang der rechten Gehirnhemisphäre war besonders deutlich für negative Stimuli, wohingegen die Reaktionszeiten auf positive Bilder keine hemisphärische Differenzierung zeigten. Wir konnten keine Interaktion zwischen Gesichtsfeld und Reaktionstyp belegen, auch fand sich keine Dreifachinteraktion zwischen Valenz, Gesichtsfeld und Reaktionstyp. In unserem experimentellen Kontext scheint die Interaktion zwischen Valenz und Gesichtsfeld stärker zu sein als die Interaktion zwischen Valenz und motorischem Verhalten. Auf Grund dieser Ergebnisse vermuten wir, dass unter gewissen Bedingungen eine Hierarchisierung der asymmetrischen Muster Vorrang hat, die möglicherweise andere vorhandene Asymmetrien maskieren könnte. / Background: There is extensive evidence that explicit memory, which involves conscious recall of encoded information, can be modulated by emotions; emotions may influence encoding, consolidation or retrieval of information. However, less is known about the modulatory effects of emotions on procedural processes like motor memory, which do not depend upon conscious recall and are instead demonstrated through changes in behaviour. Experiment 1: The goal of the first experiment was to examine the influence of emotions on motor learning. Four groups of subjects completed a motor learning task performing brisk isometric abductions with their thumb. While performing the motor task, the subjects heard emotional sounds varying in arousal and valence: (1) valence negative / arousal low (V-/A-), (2) valence negative / arousal high (V-/A+), (3) valence positive / arousal low (V+/A-), and (4) valence positive / arousal high (V+/A+). Descriptive analysis of the complete data set showed best performances for motor learning in the V-/A- condition, but the differences between the conditions did not reach significance. Results suggest that the interaction between valence and arousal may modulate motor encoding processes. Since limitations of the study cannot be ruled out, future studies with different emotional stimuli have to test the assumption that exposure to low arousing negative stimuli during encoding has a facilitating effect on short term motor memory. Experiment 2: The purpose of the second experiment was to investigate the effects of emotional interference on consolidation of sequential learning. In different sessions, 6 groups of subjects were initially trained on a serial reaction time task (SRTT). To modulate consolidation of the newly learned skill, subjects were exposed, after the training, to 1 of 3 (positive, negative or neutral) different classes of emotional stimuli which consisted of a set of emotional pictures combined with congruent emotional musical pieces or neutral sound. Emotional intervention for each subject group was done in 2 different time intervals (either directly after the training session, or 6 h later). After a 72 h post-training interval, each group was retested on the SRTT. Re-test performance was evaluated in terms of response times and accuracy during performance of the target sequence. Emotional intervention did not influence either response times or accuracy of re-testing SRTT task performance. However, explicit awareness of sequence knowledge was enhanced by arousing negative stimuli applied at 0 h after training. These findings suggest that consolidation of explicit aspects of procedural learning may be more responsive toward emotional interference than are implicit aspects. Consolidation of different domains of skill acquisition may be governed by different mechanisms. Since skill performance did not correlate with explicit awareness we suggest that implicit and explicit modes of SRTT performance are not complementary. Experiment 3: The aim of the third experiment was to analyze if the left hemisphere preferentially controls flexion responses towards positive stimuli, while the right hemisphere is specialized towards extensor responses to negative pictures. To this end, right-handed subjects had to pull or push a joystick subsequent to seeing a positive or a negative stimulus in their left or right hemifield. Flexion responses were faster for positive stimuli, while negative stimuli were associated with faster extensions responses. Overall, performance was fastest when emotional stimuli were presented to the left visual hemifield. This right hemisphere superiority was especially clear for negative stimuli, while reaction times towards positive pictures showed no hemispheric difference. We did not find any interaction between hemifield and response type. Neither was there a triple interaction between valence, hemifield and response type. In our experimental context the interaction between valence and hemifield seems to be stronger than the interaction between valence and motor behaviour. From these results we suppose that under certain conditions a hierarchy scaling of the asymmetry patterns prevails, which might mask any other existing asymmetries.

Most natural learning situations are of a complex nature and consist of a tight conjunction of the animal's behavior (B) with the perceived stimuli. According to the behavior of the animal in response to these stimuli, they are classified as being either biologically neutral (conditioned stimuli, CS) or important (unconditioned stimuli, US or reinforcer). A typical learning situation is thus identified by a three term contingency of B, CS and US. A functional characterization of the single associations during conditioning in such a three term contingency has so far hardly been possible. Therefore, the operational distinction between classical conditioning as a behavior-independent learning process (CS-US associations) and operant conditioning as essentially behavior-dependent learning (B-US associations) has proven very valuable. However, most learning experiments described so far have not been successful in fully separating operant from classical conditioning into single-association tasks. The Drosophila flight simulator in which the relevant behavior is a single motor variable (yaw torque), allows for the first time to completely separate the operant (B-US, B-CS) and the classical (CS-US) components of a complex learning situation and to examine their interactions. In this thesis the contributions of the single associations (CS-US, B-US and B-CS) to memory formation are studied. Moreover, for the first time a particularly prominent single association (CS-US) is characterized extensively in a three term contingency. A yoked control shows that classical (CS-US) pattern learning requires more training than operant pattern learning. Additionally, it can be demonstrated that an operantly trained stimulus can be successfully transferred from the behavior used during training to a new behavior in a subsequent test phase. This result shows unambiguously that during operant conditioning classical (CS-US) associations can be formed. In an extension to this insight, it emerges that such a classical association blocks the formation of an operant association, which would have been formed without the operant control of the learned stimuli. Instead the operant component seems to develop less markedly and is probably merged into a complex three-way association. This three-way association could either be implemented as a sequential B-CS-US or as a hierarchical (B-CS)-US association. The comparison of a simple classical (CS-US) with a composite operant (B, CS and US) learning situation and of a simple operant (B-US) with another composite operant (B, CS and US) learning situation, suggests a hierarchy of predictors of reinforcement. Operant behavior occurring during composite operant conditioning is hardly conditioned at all. The associability of classical stimuli that bear no relation to the behavior of the animal is of an intermediate value, as is operant behavior alone. Stimuli that are controlled by operant behavior accrue associative strength most easily. If several stimuli are available as potential predictors, again the question arises which CS-US associations are formed? A number of different studies in vertebrates yielded amazingly congruent results. These results inspired to examine and compare the properties of the CS-US association in a complex learning situation at the flight simulator with these vertebrate results. It is shown for the first time that Drosophila can learn compound stimuli and recall the individual components independently and in similar proportions. The attempt to obtain second-order conditioning with these stimuli, yielded a relatively small effect. In comparison with vertebrate data, blocking and sensory preconditioning experiments produced conforming as well as dissenting results. While no blocking could be found, a sound sensory preconditioning effect was obtained. Possible reasons for the failure to find blocking are discussed and further experiments are suggested. The sensory preconditioning effect found in this study is revealed using simultaneous stimulus presentation and depends on the amount of preconditioning. It is argued that this effect is a case of 'incidental learning', where two stimuli are associated without the need of reinforcement. Finally, the implications of the results obtained in this study for the general understanding of memory formation in complex learning situations are discussed. / Die meisten Lernsituationen sind von komplexer Natur und bestehen aus einer engen Verknüpfung des Verhaltens eines Tieres (B) mit den wahrgenommenen Stimuli. Entsprechend der Reaktion des Tieres auf diese Stimuli werden diese als entweder biologisch neutral (konditionierte Stimuli, CS) oder signifikant (unkonditionierte Stimuli, US oder Verstärker) klassifiziert. Eine typische Lernsituation ist also durch eine Dreiwegebeziehung zwischen B, CS und US gekennzeichnet. Eine funktionelle Charakterisierung der Einzelassoziationen während des Lernens in einer solchen Dreiwegebeziehung war experimentell bisher kaum zugänglich. Operationell wird daher zwischen klassischer Konditionierung als verhaltensunabhängigem Lernvorgang (CS-US Assoziationen) und operanter Konditionierung als essentiell verhaltensabhängigem Lernen (B-US Assoziationen) unterschieden. In den meisten bisher beschriebenen Lernexperimenten ist noch nicht einmal diese Trennung in Einzelassoziationen vollständig durchzuführen gewesen. Im Drosophila Flugsimulator, in dem das relevante Verhalten eine einzelne Bewegungsvariable (das Gierungsdrehmoment) ist, können zum ersten Mal die operanten (B-US, B-CS) und die klassischen (CS-US) Bestandteile einer komplexen Lernsituation völlig getrennt und auf ihre Interaktionen hin untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl die Beiträge der Einzelassoziationen (CS-US, B-US und B-CS) bei der Akquisition der Gedächtnismatrize in komplexen Lernsituationen untersucht, als auch die Eigenschaften einer besonders prominenten Einzelassoziation (CS-US) während einer komplexen Lernsituation zum ersten Mal weitgehend charakterisiert. Mit einer gejochten (yoked) Kontrolle kann gezeigt werden, dass das klassische (CS-US) Musterlernen umfangreicheres Training als das operante Musterlernen erfordert. Außerdem kann die Fliege einen operant gelernter Stimulus von dem Verhalten mit dem er gelernt wurde, auf ein anderes Verhalten im Test übertragen. Dieses Resultat zeigt eindeutig, dass während der operanten Konditionierung klassische (CS-US) Assoziationen gebildet werden können. In einer Erweiterung dieses Ergebnisses zeigt sich, dass solch eine klassische Assoziation, wenn sie gebildet wird, die Bildung einer operanten Assoziation blockiert, die ohne operante Kontrolle der klassisch assoziierten Stimuli gebildet würde. Stattdessen scheint sich der operante Bestandteil weniger ausgeprägt zu entwickeln und ist eventuell in einer komplexen Dreiwege-Assoziation eingebunden. Die Dreiwege-Assoziation könnte entweder als sequentielle B-CS-US oder als hierarchische (B-CS)-US Assoziation implementiert sein. Der Vergleich einer einfachen klassischen (CS-US) mit einer komplexen operanten (B, CS und US) Lernsituation und einer einfachen operanten (B-US) mit einer anderen komplexen operanten (B, CS und US) Lernsituation, ermöglicht das Postulat einer Hierarchie der Prädiktoren für Verstärker. Operantes Verhalten während einer komplexen operanten Lernsituation wird wenig oder überhaupt nicht konditioniert. Die Assoziierbarkeit der klassischen Stimuli ohne Relation zum Verhalten des Tieres (CS-US) sind - wie operantes Verhalten alleine (B-US) auch - von mittlerer Assoziierbarkeit. Stimuli die von operantem Verhalten kon-trolliert werden, erhöhen am schnellsten ihre assoziative Stärke. Sind mehrere Stimuli während des Lernvorgangs zugänglich, stellt sich erneut die Frage, welche von den CS-US Assoziationen gebildet werden. Eine Vielzahl verschiedenster Studien in Vertebraten wiesen erstaunlich übereinstimmende Ergebnisse auf. Diese Ergebnisse inspirierten dazu, die Eigenschaften der CS-US Assoziationen in der komplexen Lernsituation am Flugsimulator zu untersuchen und mit Ergebnissen in Vertebraten zu vergleichen. Es wird erstmals gezeigt, dass Drosophila zusammengesetzte Stimuli lernen und die Einzelkomponenten unabhängig voneinander und in etwa ähnlichen Proportionen wiedererkennen kann. Der Versuch "Lernen zweiter Ordnung" mit diesen Stimuli zu erzielen, liefert einen relativ kleinen Effekt. Die Gegenüberstellung mit Daten aus Vertebraten liefert sowohl Abweichungen als auch Übereinstimmungen hinsichtlich der Lernregeln, die beim klassischen Konditionieren von Vertebraten gefunden wurden. Während es ein deutliches "sensorisches Präkonditionieren" gibt, konnte kein "Blocken" gefunden werden. Das sensorische Präkonditionieren in dieser Studie zeigt sich bei gleichzeitiger Stimuluspräsentation und ist vom Mass der Präkonditionierung abhängig. Es wird argumentiert, dass dieser Effekt ein Fall "beiläufigen Lernens" ist, bei dem zwei Stimuli ohne die Notwendigkeit der Verstärkung assoziiert werden. Für das nicht gefundene Blocken werden mögliche Gründe diskutiert und weiterführende Experimente vor-geschlagen. Abschließend wird über die Implikationen der Resultate dieser Arbeit für das allgemeine Verständnis der Gedächtnisbildung in komplexen Lernsituationen nachgedacht.

Diagnostic Case Based Training Systems (D-CBT) provide learners with a means to learn and exercise knowledge in a realistic context. In medical education, D-CBT Systems present virtual patients to the learners who are asked to examine, diagnose and state therapies for these patients. Due a number of conflicting and changing requirements, e.g. time for learning, authoring effort, several systems were developed so far. These systems range from simple, easy-to-use presentation systems to highly complex knowledge based systems supporting explorative learning. This thesis presents an approach and tools to create D-CBT systems from existing sources (documents, e.g. dismissal records) using existing tools (word processors): Authors annotate and extend the documents to model the knowledge. A scalable knowledge representation is able to capture the content on multiple levels, from simple to highly structured knowledge. Thus, authoring of D-CBT systems requires less prerequisites and pre-knowledge and is faster than approaches using specialized authoring environments. Also, authors can iteratively add and structure more knowledge to adapt training cases to their learners needs. The theses also discusses the application of the same approach to other domains, especially to knowledge acquisition for the Semantic Web. / Fallbasierte diagnostische Trainingssysteme (FDT) ermöglichen es Lernern, Wissen durch Anwendung in einem realistischen Kontext zu erwerben und zu festigen. In der medizinischen Ausbildung präsentieren FDT Systeme virtuelle Patienten, an denen der Lerner die Auswahl und Interpretation der richtigen Untersuchungen, die Diagnostik und die Bestimmung geeigneter Therapien erlernen und üben kann. Eine Vielzahl von Anforderungen durch die Lerner und die Autoren solcher Systeme hat zur Entwicklung unterschiedlicher Trainingsumgebungen geführt. Darunter gibt es einfache, präsentationsorientierte Systeme ebenso wie komplexe wissensbasierte Systeme, die exploratives Lernern erlauben. Diese Dissertation untersucht einen Ansatz und Werkzeuge, um FDT Systeme aus vorhandenen Daten (d.h. Dokumenten, beispielsweise Entlassschreiben) und mit Hilfe bekannter Werkzeuge (d.h. Textverarbeitung) zu entwickeln: Die Autoren annotieren dazu die Dokumente, um die Fälle zu modellieren. Eine skalierbare Wissensrepräsentation kann das so extrahierte Wissen auf verschiedenen Ebenen erfassen, angefangen mit unstrukturierten Elementen bis zu Wissensmodellen mit kausalen Beziehungen. Autoren können mit Hilfe des vorgestellten Ansatzes fallbasierte diagnostische Trainingssysteme mit geringerem Vorwissen und schneller erstellen als mit Hilfe spezialisierter Autorensysteme. Dabei können die Autoren insbesondere die Fälle sukzessive mit weiterem Wissen anreichern und so auf die Anforderungen ihrer Lerner anpassen. In der Dissertation wird darüber hinaus die Anwendung des Ansatzes und der entstandenen Werkzeuge auf andere Domänen untersucht. Besonders interessant ist dabei die Anwendung in der Wissensakquisition für das Semantic Web.

In dieser Doktorarbeit studiere ich einige psychologische Aspekte im Verhalten der Drosophila, insbesondere von Drosophila Larven. Nach einer Einleitung, in der ich den wissenschaftlichen Kontext darstelle und die Mechanismen der olfaktorischen Wahrnehmung sowie des klassichen und operanten Lernens beschreibe, stelle ich die verschiedenen Experimente meiner Doktorarbeit vor. Wahrnehmung Das zweite Kapitel behandelt die Art, in der adulte Drosophila zwischen Einzeldüften und Duftgemischen generaliseren. Ich habe gefunden, daß die Fliegen eine Mischung aus zwei Düften als gleich verschieden von ihren beiden Elementen wahrnehmen; und daß die Intensität sowie die chemisch-physikalische Natur der Elemente das Ausmass der Generalisierung zwischen der Mischung und ihren beiden Elementen beeinflusst. Diese Entdeckungen sollten für die weitere Forschung anregend sein, wie zum Beispiel zum functional imaging. Gedächtnis Das dritte Kapitel stellt die Etablierung eines neuen Protokolls zur klassischen Konditionierung bei Drosophila Larven dar. Es handelt sich um Experimente, bei denen ein Duft mit einer mechanischen Störung als Strafreiz verknüpft wird. Das Protokoll wird einen Vergleich zwischen zwei Arten vom aversiven Gedächtnissen (Geschmack vs. mechanische Störung als Strafreize) ermöglichen, einschliesslich eines Vergleiches ihrer neurogenetischen Grundlagen; zudem kann nun geforscht werden, ob die jeweiligen Gedächtnisse spezifisch für die Art des verwendeten Strafreizes sind. Selbstgestaltung Das vierte Kapitel umfasst unsere Versuche, operantes Gedächtnis bei Drosophila Larven zu beobachten. Zumindest für die unmittelbar ersten Momente des Tests konnte ich zeigen, dass die Larven ihr Verhalten entsprechend dem Training ausrichten. Dieses Gedächtnis scheint jedoch im Laufe des Tests schnell zu verschwinden. Es ist daher geraten, diese Ergebnisse über operantes Lernen zu wiederholen, eventuell das experimentelle Protokoll zu verbessern, um so eine systematische Analyse der Bedingungen und Mechanismen für das operante Lernen bei der Drosophila Larve zu erlauben. Im fünften Kapitel verwende ich die im Rahmen des vierten Kapitels entwickelten Methoden für eine Analyse der Fortbewegung der Larven. Ich habe insbesondere die Wirkung des pflanzlichen ‚cognitive enhancers’ Rhodiola rosea untersucht, sowie die Auswirkungen von Mutationen in den Genen, welche für Synapsin und SAP47 kodieren; schliesslich habe ich getestet, ob die Geschmacksqualität der Testsituation lokomotorische Parameter verändert. Diese Dissertation erbringt also eine Reihe neuer Aspekte zur Psychologie der Drosophila und wird hoffentlich in diesem Bereich der Forschung neue Wege öffnen. / In this thesis I studied psychological aspects in the behaviour of Drosophila, and especially Drosophila larvae. After an introduction where I present the general scientific context and describe the mechanisms of olfactory perception as well as of classical and operant conditioning, I present the different experiments that I realised during my PhD. Perception The second chapter deals with the way adult Drosophila generalise between single odours and binary mixtures of odours. I found that flies perceive a mixture of two odours as equally similar to the two elements composing it; and that the intensity as well as the physico-chemical nature of the elements composing a mixture affect the degree of generalisation between this mixture and one of its elements. These findings now call for further investigation on the physiological level, using functional imaging. Memory The third chapter presents a series of experiments in Drosophila larvae in order to define some characteristics of a new protocol for classical aversive learning which involves associating odours with mechanical disturbance as a punishment. The protocol and the first results should open new doors for the study of classical conditioning in Drosophila larvae, by allowing the comparison between two types of aversive memory (gustatory vs. mechanical reinforcement), including a comparison of their neurogenetic bases. It will also allow enquiries into the question whether these respective memories are specific for the kind of reinforcer used. Agency The fourth chapter documents our attempts to establish operant memory in Drosophila larvae. By analysing the first moments of the test, I could reveal that the larvae modified their behaviour according to their previous operant training. However, this memory seems to be quickly extinguished during the course of the test. We now aim at repeating these results and improving the protocol, in order to be able to systematically study the mechanisms allowing and underlying operant learning in Drosophila larvae. In the fifth chapter, I use the methods developed in chapter four for an analysis of larval locomotion. I determine whether larval locomotion in terms of speed or angular speed is affected by a treatment with the “cognitive enhancer” Rhodiola rosea, or by mutations in the Synapsin or SAP47 genes which are involved in the formation of olfactory memory. I also characterize the modifications induced by the presence of gustatory stimuli in the substrate on which the larvae are crawling. This thesis thus brings new elements to the current knowledge of Drosophila

The honeybee Apis mellifera is a social insect well known for its complex behavior and the ability to learn tasks associated with central place foraging, such as visual navigation or to learn and remember odor-reward associations. Although its brain is smaller than 1mm² with only 8.2 x 105 neurons compared to ~ 20 x 109 in humans, bees still show amazing social, cognitive and learning skills. They express an age – related division of labor with nurse bees staying inside the hive and performing tasks like caring for the brood or cleaning, and foragers who collect food and water outside the hive. This challenges foragers with new responsibilities like sophisticated navigation skills to find and remember food sources, drastic changes in the sensory environment and to communicate new information to other bees. Associated with this plasticity of the behavior, the brain and especially the mushroom bodies (MBs) - sensory integration and association centers involved in learning and memory formation – undergo massive structural and functional neuronal alterations. Related to this background my thesis on one hand focuses on neuronal plasticity and underlying molecular mechanisms in the MBs that accompany the nurse – forager transition. In the first part I investigated an endogenous and an internal factor that may contribute to the nurse - forager phenotype plasticity and the correlating changes in neuronal network in the MBs: sensory exposure (light) and juvenile hormone (JH). Young bees were precociously exposed to light and subsequently synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the MBs or respectively hemolymph juvenile hormone (JH) levels were quantified. The results show that light input indeed triggered a significant decrease in MG density, and mass spectrometry JH detection revealed an increase in JH titer. Interestingly light stimulation in young bees (presumably nurse bees) triggered changes in MG density and JH levels comparable to natural foragers. This indicates that both sensory stimuli as well as the endocrine system may play a part in preparing bees for the behavioral transition to foraging. Considering a connection between the JH levels and synaptic remodeling I used gene knockdown to disturb JH pathways and artificially increase the JH level. Even though the knockdown was successful, the results show that MG densities remained unchanged, showing no direct effect of JH on synaptic restructuring. To find a potential mediator of structural synaptic plasticity I focused on the calcium-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) in the second part of my thesis. CaMKII is a protein known to be involved in neuronal and behavioral plasticity and also plays an important part in structural plasticity reorganizing synapses. Therefore it is an interesting candidate for molecular mechanisms underlying MG reorganization in the MBs in the honeybee. Corresponding to the high abundance of CaMKII in the learning center in vertebrates (hippocampus), CaMKII was shown to be enriched in the MBs of the honeybee. Here I first investigated the function of CaMKII in learning and memory formation as from vertebrate work CaMKII is known to be associated with the strengthening of synaptic connections inducing long term potentiation and memory formation. The experimental approach included manipulating CaMKII function using 2 different inhibitors and a specific siRNA to create a CaMKII knockdown phenotype. Afterwards bees were subjected to classical olfactory conditioning which is known to induce stable long-term memory. All bees showed normal learning curves and an intact memory acquisition, short-term and mid-term memory (1 hour retention). However, in all cases long-term memory formation was significantly disrupted (24 and 72 hour retention). These results suggests the necessity of functional CaMKII in the MBs for the induction of both early and late phases of long-term memory in honeybees. The neuronal and molecular bases underlying long-term memory and the resulting plasticity in behavior is key to understanding higher brain function and phenotype plasticity. In this context CaMKII may be an important mediator inducing structural synaptic and neuronal changes in the MB synaptic network. / Die Honigbiene Apis mellifera ist ein soziales Insekt, das bekannt ist für sein komplexes Verhalten und seine Fähigkeiten, Aufgaben in Bezug auf zentrales Sammelverhalten, zum Beispiel visuelle Navigation oder die Assoziation Duft – Belohnung, zu lernen, ist. Obwohl das Bienengehirn kleiner als 1mm² ist und im Vergleich zum dem des Menschen mit ~ 20 x 109 Neuronen nur 8.2 x 105 Neurone besitzt, verfügen Bienen trotzdem über beeindruckende soziale, kognitive und Lernfähigkeiten. Sie praktizieren eine altersabhängige Arbeitsteilung mit Ammen, die im Stock bleiben und Aufgaben wie das Versorgen der Brut übernehmen, und Sammlerinnen, die außerhalb des Stockes Futter und Wasser suchen. Dies fordert die Sammlerinnen zu neuen Aufgaben heraus, zum Beispiel hochentwickelte Navigation, drastischen Änderungen der sensorischen Umwelt, Lernen neuer Assoziationen und die Vermittlung der neuen Informationen an andere Bienen. Diese phänotypische Plastizität geht mit stark strukturellen und funktionell neuronalen Veränderungen im Gehirn und vor allem in den Pilzkörpern – sensorische Integrierungszentren, die an Lernen und Gedächtnisbildung beteiligt sind – einher. Passend dazu liegt ein Schwerpunkt meiner Arbeit darauf, die neuronale Plastizität und die molekularen Mechanismen im Pilzkörper, die mit der Wandlung der Amme hin zur Sammlerin zusammen hängen, zu untersuchen. Im ersten Teil werden ein endogener und ein interner Faktor, die zum Ammen - Sammlerinnen Übergang und den damit einhergehenden Änderungen im neuronalen Netzwerk beitragen könnten, untersucht: sensorische Input (Licht) und Juvenilhormon (JH). Junge Bienen wurden frühzeitig dem Licht ausgesetzt und anschließend synaptische Komplexe (Mikroglomeruli, MG) in den Pilzkörpern beziehungsweise JH aus der Hämolymphe quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss des Lichts tatsächlich eine plastische Verringerung der MG-Dichte auslöst und massenspektrometrische Messungen eine Zunahme an der JH-Menge in der Hämolymphe zeigen. Interessanterweise führt die Stimulation der jungen Ammen mit Licht zu Änderungen in der MG-Dichte und zu JH-Mengen, die vergleichbar sind mit den Werten bei natürlichen Sammlerinnen sind. Dies weist darauf hin, dass sowohl sensorische Stimuli als auch das Hormonsystem einen Beitrag zu der Vorbereitung der Bienen auf die bevorstehende Verhaltensänderung leisten. Um eine Verbindung zwischen der JH-Menge und synaptischen Umstrukturierungen in Betracht zu ziehen, habe ich einen Gen-Knockdown eingesetzt, um JH-Signalwege zu manipulieren und dadurch die JH-Menge künstlich zu erhöhen. Obwohl der Knockdown erfolgreich war, zeigen die Ergebnisse keinen direkten Zusammenhang zwischen der JH-Menge und einer synaptischer Umgestaltung. Um einen möglichen Vermittler von struktureller Plastizität zu finden, habe ich den Fokus im zweiten Teil meiner Arbeit auf die Calcium-Calmodulin-abhängige Protein-Kinase II (CaMKII) gerichtet. CaMKII ist ein Protein, das für seine Rolle sowohl in neuronaler und Verhaltensplastizität als auch in struktureller Plastizität bekannt ist. Daher ist es ein interessanter Kandidat, um molekulare Mechanismen zu untersuchen, die bei der MG-Umstrukturierung in den Pilzkörpern beteiligt sind. In Übereinstimmung mit dem hohen Vorkommen der CaMKII in Lernzentren in Vertebraten (Hippocampus) kommt CaMKII auch in hohem Maß in den Pilzkörpern der Biene vor. In dieser Arbeit habe ich zuerst die Funktion der CaMKII in Lernvorgängen und bei der Gedächtnisbildung untersucht, da bekannt ist, dass CaMKIII mit verstärkten synaptischen Verbindungen, die Langzeitpotenzierung und Gedächtnisbildung auslösen, in Zusammenhang gebracht wird. Der experimentelle Ansatz beinhaltet die Manipulation der CaMKII mit zwei verschiedenen Inhibitoren und einer spezifische siRNA, um einen CaMKII-Knockdown-Phänotyp zu erzeugen. Alle Substanzen wurden über den medialen Ocellartrakt injiziert, um zu gewährleisten, dass sie den Pilzkörper erreichen. Anschließend wurde eine klassische olfaktorische Konditionierung durchgeführt, die ein stabiles Langzeitgedächtnis induziert. Alle Bienen zeigten ein normales Lernverhalten, Kurzzeitgedächtnis und Mittelzeitgedächtnis (eine Stunde Speicherung) waren intakt. Jedoch war in allen Fällen das Langzeitgedächtnis beschädigt (24 und 72 Stunden Speicherung). Diese Ergebnisse legen nahe, dass CaMKII in den Pilzkörpern essentiell für das Auslösen von frühen und späten Formen des Langzeitgedächtnisses der Biene ist. Die neuronalen und molekularen Grundlagen des Langzeitgedächtnis sind der Schlüssel, um höhere Gehirnfunktionen und phänotypische Plastizität zu verstehen. CaMKII könnte ein wichtiger Vermittler sein, um strukturelle und neuronale synaptische Änderungen im Netzwerk des Pilzkörpers auszulösen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden vier Experimente zur Eignung von Marginalien als Lernhilfen im Hypertext durchgeführt. Die grundlegende Annahme lautet dabei, dass Marginalien als Kommentar zum Text aufgefasst werden und somit im Vergleich zu intratextuellen Lernhilfen wie Überschriften oder absatzeinleitenden Makropropositionen zu einer interaktiven und tieferen Verarbeitung der Lerninhalte führen. Als Lernmedium wurden eine hierarchische Hypertextumgebung zum Thema Fragebogenkonstruktion und eine netzförmige Hypertextumgebung zur Bedeutung des Buchdrucks in der Medientheorie eingesetzt. Experiment 1 (N= 41) verglich mittels between-Design die Lernleistung bei Marginalien mit einer Präsentation derselben Makropropositionen als absatzeinleitende Topic-Sätze und einer Platzierung der Makropropositionen am Absatzende. Die Ergebnisse zeigen, dass absatzweise Marginalien im Vergleich zu absatzeinleitenden Makropropositionen und der Kontrollgruppe zu einem besseren Abschneiden bei geschlossenen Inferenzfragen führen. Hinsichtlich geschlossener Fragen zur Textbasis konnten jedoch die absatzeinleitenden Makropropositionen im Vergleich mit den beiden anderen Bedingungen die besten Ergebnisse erzielen. Experiment 2 (N= 105) verglich den Einfluss von Marginalien mit Überschriften und einer Kontrollgruppe ohne absatzweise Explikation der Makrostruktur auf das Schreiben einer Zusammenfassung des Lerntextes. Zusätzlich wurden erneut geschlossene Inferenzfragen präsentiert. Ergänzend wurde das Rezeptionsverhalten mittels Blickbewegungsmessung ermittelt. Dabei zeigten sich signifikante Unterschiede zwischen Überschriften und Marginalien. Marginalien wurden in der hierarchischen Hypertextumgebung allgemein seltener gelesen als Überschriften und zeigten auch hinsichtlich der Anzahl der strategischen Rezeptionen und der absatzeinleitenden Rezeption geringere Werte. Einzig nach der Rezeption des zugehörigen Absatzes wurden Marginalien häufiger konsultiert als Überschriften. Diese Unterschiede gingen einher mit signifikanten Einbußen der Lernleistung der Marginalienbedingung im Vergleich zur Überschriftenbedingung. So erinnerten Lerner mit Marginalien weniger explizite Makropropositionen des Lerntextes, weniger Fakteninformationen, sowie weniger Inhalte verschiedener Hypertextknoten und bildeten außerdem weniger eigene Makropropositionen. Hinsichtlich der letzten beiden Variablen war die Marginalienbedingung sogar der Kontrollbedingung unterlegen. Experiment 3 (N = 54) verwendete im Gegensatz zu den Experimenten 1 und 2 einen netzförmig organisierten Hypertext mit embedded Links anstelle eines Navigationsmenüs. Die untersuchten Versuchsbedingungen sowie die Messung der Lernleistung waren jedoch analog zu Experiment 1. Auch hier konnte ein Effekt von Marginalien auf die Inferenzleistung nachgewiesen werden. Allerdings schnitten Marginalien nur besser als die absatzeinleitenden Makropropositionen ab, wohin-gegen kein Unterschied zur Kontrollbedingung festgestellt werden konnten. Hinsichtlich der Leistung bei geschlossenen Faktenfragen konnte die Überlegenheit absatzeinleitender Makropropositionen gegenüber den anderen beiden Präsentationsformen der Makrostruktur erneut bestätigt werden. Experiment 4 (N= 75) verglich analog zu Experiment 2 unter Verwendung der netzförmigen Lernumgebung aus Experiment 3 erneut den Einfluss von Marginalien, Überschriften und einer Kontrollbedingung ohne explizite absatzweise Makropropositionen auf das Schreiben einer Zusammenfassung sowie die Beantwortung geschlossener Inferenzfragen. Auch die Blickbewegungsmessung kam wieder zum Einsatz. Die Ergebnisse von Experiment 2 konnten jedoch nicht bestätigt werden. Es fanden sich keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Lernleistung zwischen den drei Versuchsbedingungen und auch hinsichtlich des Rezeptionsverhaltens konnte eine Angleichung von Marginalien und Überschriften festgestellt werden. Hinsichtlich der Lernleistung wird angenommen, dass die embedded Links in Kombination mit der Instruktion, eine Zusammenfassung zu schreiben mit den Überschriften und den Marginalien, die jedoch im Vergleich zu Experiment 2 fast vollständig wie Überschriften genutzt wurden, interferiert haben und somit eine Hemmung dieser Lernhilfen stattgefunden hat. Anhand der vier durchgeführten Experimente wird gefolgert, dass Marginalien als Explikation der lokalen Makrostruktur sowohl bei hierarchisch strukturiertem Hypertext als auch bei netzförmig organisiertem Hypertext unter der Instruktion eines verstehenden Lernens eine Verbesserung der Inferenzleistung bewirken können. Lautet die Instruktion jedoch, eine Zusammenfassung der In-halte zu schreiben, sind Marginalien speziell bei hierarchisch strukturiertem Hypertext wenig geeignet, die Lernleistung zu fördern. / Four experiments were conducted to compare marginalia with other textual learning aids. The basic assumption was that marginalia are perceived as a comment to the text and therefore should foster a more interactive and deeper processing of the text’s content compared to classical structure aids like headings or topic sentences. Two experiments used a hierarchical structured hypertext on questionnaire design. The other two experiments applied an ill-structured hypertext with embedded links on the relevance of the Gutenberg-Revolution for media theory. Experiment 1 (N= 41) compared learning gains of marginalia with two other alternative but unsignaled placings of the same macropropositions: topic sentences and paragraph-terminal macropropositions. Results indicate that marginalia for each paragraph outperformed both other conditions on inference performance, measured via single choice questions. Concerning the recognition of factual information, topic sentences outperformed both other conditions. In experiment 2 (N= 105) marginalia were compared with heading and a control group without explicit macropropositions for each paragraph. Participants had to write a summary and answer single-choice inference questions. In addition to learning outcomes strategic reading behavior was obtained via eyetracking. Marginalia were read less frequent than headings, especially at the beginning of a corresponding paragraph. Further, marginalia also showed less strategic receptions. Concerning the summaries, learners in the marginalia condition produced less self-generated macropropositions than both other groups and wrote down less macropropositions that were explicitly mentioned in the text. In addition, learners in the marginalia condition retrived less information from fewer hypertext nodes than learners in both other conditions. Marginalia outperformed headings only in the number of receptions after the corresponding paragraph. No differences on inference performance were found. Experiment 3 (N = 54) applied an ill-structured hypertext instead of the well-structured hierarchical hypertext in experiments 1 and 2. Instead of a navigation menu, participants had to navigate the hypertext with embedded hyperlinks. The experimental manipulation and the dependent variables were similar to experiment 1, although the subject of the text was not the same as in experiment 1. As in experiment 1, marginalia outperformed paragraph-initial topic sentences on inference performance. However, in contrast to experiment 1 marginalia did not outperform the control condition. Concerning the recognition of factual information, topic sentences outperformed both other conditions again, indicating the assumed effect of oversignalization for both, well-structured and ill-structured hypertext. Finally, experiment 4 (N= 75) used the same hypertext as experiment 3 and the same manipulations and measuring methods as experiment 2. Neither the summaries nor the inference questions showed any significant difference among the three experimental conditions. Only the Eyetracking data obtained a small number of significant differences in the reception of headings and marginalia. As the differences in learning performance from experiment 2 vanished and differences in the reception of headings and marginalia also decreased, a possible interaction of the learning goal with the hypertext structure is discussed that might have interfered the positive effects of the learning aids. Based on those four experiments, marginalia as an alternative explication of the macrostructure are recommended for both, well-structured hypertext as well as for ill-structured hypertext insofar as the learning goal is a deep comprehension of the text and not the production of an exact summary of the text. Marginalia only seem to foster inference performance but not the factual textbase. However, this is accordance with the assumed benefits of hypertext over linear text.

Zugl.: Hamburg, Helmut-Schmidt-Univ., Diss., 2006

Zugl.: Hamburg, Universiẗat, Diss.

Zugl.: Koblenz, Landau (Pfalz), Univ., Diss., 2007

Mit der Integration von Forschung in Lehre gelingen nicht nur aktivierende, teilnehmerorientierte Lehrmethoden, sie bietet vielmehr für Studierende die Möglichkeit an Forschung teilzuhaben. Dabei geht forschungsbasiertes Lernen über die Förderung von Selbstständigkeit und projektorientiertem Studium hinaus, denn es wird von den Studierenden eine sie interessierende Problemstellung entwickelt mit dem Ziel neue Erkenntnisse zu gewinnen. Hierin liegt die Besonderheit des Konzepts: es wird bei den Lerninteressen der Studierenden angesetzt. Dieser Beitrag erörtern ein Beispiel, wie Forschungsprojekte in der Lehre genutzt werden können. / The most challenging and often not well-understood science instructional approach is project-based science instruction. In this paper, the concept “project-based science instruction” is examined. The paper addresses how to teach science for understanding using PBSI and ends by explaining an example for implementing this instructional approach in the classroom.