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

Is behaviour response or action? In this Thesis I study this question regarding a rather simple organism, the larva of the fruit fly Drosophila melanogaster. Despite its numerically simple brain and limited behavioural repertoire, it is nevertheless capable to accomplish surprisingly complex tasks. After association of an odour and a rewarding or punishing reinforcement signal, the learnt odour is able to retrieve the formed memory trace. However, the activated memory trace is not automatically turned into learned behaviour: Appetitive memory traces are behaviourally expressed only in absence of the rewarding tastant whereas aversive memory traces are behaviourally expressed in the presence of the punishing tastant. The ‘decision’ whether to behaviourally express a memory trace or not relies on a quantitive comparison between memory trace and current situation: only if the memory trace (after odour-sugar training) predicts a stronger sugar reward than currently present, animals show appetitive conditioned behaviour. Learned appetitive behaviour is best seen as active search for food – being pointless in the presence of (enough) food. Learned aversive behaviour, in turn, can be seen as escape from a punishment – being pointless in absence of punishment. Importantly, appetitive and aversive memory traces can be formed and retrieved independent from each other but also can, under appriate circumstances, summate to jointly organise conditioned behaviour. In contrast to learned behaviour, innate olfactory behaviour is not influenced by gustatory processing and vice versa. Thus, innate olfactory and gustatory behaviour is rather rigid and reflexive in nature, being executed almost regardless of other environmental cues. I suggest a behavioural circuit-model of chemosensory behaviour and the ‘decision’ process whether to behaviourally express a memory trace or not. This model reflects known components of the larval chemobehavioural circuit and provides clear hypotheses about the kinds of architecture to look for in the currently unknown parts of this circuit. The second chapter deals with gustatory perception and processing (especially of bitter substances). Quinine, the bitter tastant in tonic water and bitter lemon, is aversive for larvae, suppresses feeding behaviour and can act as aversive reinforcer in learning experiments. However, all three examined behaviours differ in their dose-effect dynamics, suggesting different molecular and cellular processing streams at some level. Innate choice behaviour, thought to be relatively reflexive and hard-wired, nevertheless can be influenced by the gustatory context. That is, attraction toward sweet tastants is decreased in presence of bitter tastants. The extent of this inhibitory effect depends on the concentration of both sweet and bitter tastant. Importantly, sweet tastants differ in their sensitivity to bitter interference, indicating a stimulus-specific mechanism. The molecular and cellular processes underlying the inhibitory effect of bitter tastants are unknown, but the behavioural results presented here provide a framework to further investigate interactions of gustatory processing streams. / Ist Verhalten Aktion oder Reaktion? In dieser Arbeit widme ich mich dieser Frage anhand eines recht einfachen Organismus, der Larve der Taufliege Drosophila melanogaster. Trotz ihres nur aus wenigen Tausend Nervenzellen bestehenden Gehirns und begrenzten Verhaltensrepertoires ist sie dennoch zu überraschend komplexem Verhalten fähig. Nach der Assoziation eines Duftes mit einem belohnenden oder bestrafenden Geschmacksstoff ist der gelernte Duft in der Lage, die gebildete Gedächtnisspur abzurufen. Diese aktivierte Gedächtnisspur wird jedoch nicht automatisch in Verhalten übersetzt: Appetitive Gedächtnisspuren führen nur in Abwesenheit des belohnenden Geschmacks zu erlerntem Verhalten, während aversive Gedächtnisspuren nur in Anwesenheit des bestrafenden Geschmacks in erlerntem Verhalten münden. Die „Entscheidung“, eine Gedächtnisspur in Verhalten zu übersetzen oder nicht, beruht auf einem quantitativen Vergleich zwischen der Gedächtnisspur und der aktuellen Situation: Nur wenn die Gedächtnisspur (nach einem Duft-Zucker-Training) eine größere Zuckerbelohnung vorhersagt als gegewärtig vorhanden, zeigen die Tiere appetitives erlerntes Verhalten. Solches Verhalten kann man am besten als aktive Suche nach Nahrung interpretieren, die in Gegenwart von (ausreichend) Nahrung sinnlos ist. Aversives erlerntes Verhalten andererseits kann als Flucht vor einer Bestrafung verstanden werden – und in Abwesenheit einer Bestrafung gibt es nichts, wovor man fliehen könnte. Appetitive und aversive Gedächtnisspuren können unabhängig voneinander gebildet und abgerufen werden, können unter den richtigen Umständen aber auch gemeinsam erlerntes Verhalten organisieren. Im Gegensatz zu erlerntem Verhalten wird angeborenes olfaktorisches Verhalten nicht durch das Geschmackssystem beinflusst – und umgekehrt. Angeborenes Verhalten erscheint also relativ starr und reflexhaft und läuft größtenteils unbeeinflusst von anderen Umwelteinflüssen ab. Schließlich entwerfe ich ein auf Verhalten basierendes Schaltkreismodell des chemosensorischen Systems der Larve und der „Entscheidung“, eine Gedächtnisspur in Verhalten umzusetzen oder nicht. Dieses Modell stellt bekannte Komponenten des Systems dar und macht klare Vorhersagen über die Architektur, die bisher noch unbekannte Komponenten haben sollten. Das zweite Kapitel der Arbeit behandelt die Wahrnehmung und Verarbeitung von (hauptsächlich bitteren) Geschmacksstoffen. Chinin, der bittere Geschmack in Getränken wie Bitter Lemon, wirkt abstoßend auf Larven, unterdrückt ihr Fressverhalten und kann in Lernexperimenten als Bestrafung wirken. Allerdings unterscheiden sich alle drei untersuchten Verhalten in der Dynamik ihrer Dosis-Wirkungskurven, was unterschiedliche molekulare und zelluläre Wirkungsweisen nahe legt. Angeborenes Wahlverhalten, das als reflexhaft und starr gilt, kann dennoch durch den gustatorischen Kontext beeinflusst werden. Das bedeutet, die Anwesenheit eines Bitterstoffes ist in der Lage, die angeborene Präferenz von Larven für süße Geschmackstoffen zu unterdrücken. Dieser inhibitorische Effekt hängt sowohl von der Konzentration der süßen als auch der bitteren Substanz ab. Was noch wichtiger ist: Die verschiedenen Zucker sind unterschiedlich anfällig für die Störung durch Bitterstoffe, was auf einen Stimulus-spezifischen Mechanismus hindeutet. Die genauen molekularen und zellulären Prozesse, die diesem inhibitorischen Effekt von Bitterstofen zugrunde liegen, sind noch nicht bekannt, die hier präsentierten Ergebnisse bieten aber einen geeigneten Rahmen für weitergehende Untersuchungen der Interaktionen zwischen verschiedenen Teilen des Geschmacksapparates.

Die Entwicklung von Ethanoltoleranz ist ein Indikator für eine mögliche Abhängigkeit von Alkohol. Der genaue molekulare Mechanismus der Ethanoltoleranzentwicklung ist jedoch nicht bekannt. Drosophila ermöglicht die molekulare und phänotypische Untersuchung von verschiedenen Mutanten mit veränderter Toleranz und kann so zu einem besseren Verständnis beitragen. Die hangAE10 Mutante entwickelt eine reduzierte Ethanoltoleranz, wobei dieser Phänotyp auf Defekte in der zellulären Stressantwort zurückzuführen ist. Für ein besseres Verständnis, in welchen molekularen Mechanismen bzw. Signalwegen HANG wirkt, wurde die Funktion des Proteins auf zellulärer Ebene analysiert und mögliche Zielgene charakterisiert. Die auffällige Proteinstruktur von HANG spricht für eine Interaktion mit Nukleinsäuren. Immunhistochemische Analysen von ektopisch exprimiertem Hangover Protein ergaben, dass dieses nicht mit der DNA co-lokalisiert und auch nicht an polytänen Chromosomen nachgewiesen werden kann. Die ektopische Expression von HANG in Speicheldrüsenzellen zeigte eine punktförmige Verteilung des Proteins innerhalb des Zellkerns. Dieses punktförmige Expressionsmuster wird häufig in RNA-bindenden Proteinen gefunden. Deshalb wurden Co-Lokalisationsstudien von HANG mit Markern für RNAmodifizierende Proteine durchgeführt. Dabei wurde keine Interaktion mit verschiedenen Markerproteinen des Spleißapparates gefunden. Mithilfe von in vitro Experimenten konnte aber die Bindung von RNA an bestimmten Hangover Proteinbereichen nachgewiesen werden Diese Ergebnisse legen nahe, dass HANG eine RNA-regulierende Funktion hat. In einem cDNA Microarray Experiment wurde das Gen dunce als mögliches Zielgen von Hangover identifiziert. Das Gen dunce kodiert für eine Phosphodiesterase, welche spezifisch cAMP hydrolysiert. Zur Bestätigung der cDNA Microarray Experimente wurden die dnc Transkriptunterschiede in Wildtyp und hangAE10 Mutante mithilfe von semiquantitativer RT-PCR für jede der vier Gruppen untersucht. Dabei konnte eine Reduktion der dncRMRA-Transkriptgruppe in hangAE10 Mutanten nachgewiesen werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde die dncRMRA -spezifische dncΔ143 Mutante hergestellt und auf Verhaltensebene analysiert. Die Experimente zeigten, dass sowohl dnc1, als auch die dncΔ143 Mutante eine reduzierte Ethanoltoleranz und Defekte in der zellulären Stressantwort aufweisen. Für die Rettung der reduzierten Toleranz von hangAE10 und dncΔ143 in dncRMRA-spezifischen Neuronen wurde die dncRMRA Promotor- GAL4 Linie hergestellt. Die reduzierte Ethanoltoleranz der dncΔ143 Mutanten konnte über die Expression von UAS-dnc mit der dncRMRA-GAL4 Linie auf Wildtyp Level gerettet werden. Die reduzierte Toleranz der hangAE10 Mutante konnte mithilfe derselben GAL4 Linie verbessert werden. Dies beweist, dass in beiden Mutanten dieselben Zellen für die Entwicklung von Ethanoltoleranz benötigt werden und sie wahrscheinlich in der gleichen Signaltransduktionskaskade eine Funktion haben. Aufgrund der Anfälligkeit der UAS/ GAL4 Systems gegenüber Hitze war es außerdem nicht möglich die Defekte der zellulären Stressantwort von dncΔ143 bzw. hangAE10 Fliegen zu retten. Die Rettung der reduzierten Ethanoltoleranz der dcnΔ143 Mutante führte außerdem zu der Vermutung, dass die cAMP Regulation eine wichtige Funktion bei der Ethanoltoleranzentwicklung hat. Über die Expression von cAMP-regulierenden Proteinen in dncRMRA-spezifischen Neuronen wurde der Einfluss von cAMP bei Ethanol-induziertem Verhalten überprüft. Bei der Überexpression von dunce und rutabaga konnte weder eine Veränderung für die Ethanolsensitivität, noch für die Toleranzentwicklung festgestellt werden. Eine Erklärung hierfür wäre, dass Veränderungen in der cAMP Konzentration über Rückkopplungsmechanismen zwischen Dunce und Rutabaga ausgeglichen werden können. Für eine genauere Aussage müsste jedoch die cAMP Konzentration in diesen Fliegen gemessen werden. Die Überexpression von pka- in dncRMRA spezifischen Zellen führt zu einer erhöhten Ethanolresistenz. Das bedeutet, dass die Modulation der cAMP Konzentration durch dunce und rutabaga in dncRMRA spezifischen Zellen keinen Einfluss auf Ethanol-induziertes Verhalten hat, wohingegen die Stärke der cAMP vermittelten Signalverarbeitung über die cAMP-abhängige PKA zu Veränderungen im Verhalten führt. Für Mutanten des cAMP Signalweges ist außerdem bekannt, dass sie Defekte im olfaktorischen Lernen bzw. Gedächtnis aufweisen. Deshalb wurden die dncΔ143, dnc1 und hangAE10 Mutanten in diesem Paradigma getestet. Sowohl dnc1, als auch dncΔ143 Fliegen zeigten einen reduzierten Performance Index für das zwei und 30 Minuten Gedächtnis. Nach 180 Minuten verhielten sich die dncΔ143 Mutanten nicht mehr unterschiedlich zum Wildtyp, die dnc1 Mutante zeigte jedoch immer noch eine Reduktion des Performance Index im Vergleich zur Kontrolle. Demnach ist in dncΔ143 Mutanten nur das Kurzzeitgedächtnis betroffen, wohingegen hangAE10 Mutanten keine Reduktion des Performance Index für das olfaktorische Kurzzeitgedächtnis aufweisen. Die unterschiedlichen Ergebnisse der beiden Mutanten in der Gedächtnisentwicklung deuten außerdem daraufhin, dass Lernen und Gedächtnis in dncΔ143 und hangAE10 Mutanten von der Toleranzentwicklung unabhängig über unterschiedliche cAMP-abhängige Signaltransduktionskaskaden reguliert werden. / The development of ethanol tolerance is an indicator for a possible alcohol addiction. However the correct molecular mechanism of ethanol tolerance development is not known. The model organism Drosophila allows molecular and phenotypic observations of several mutants with altered ethanol tolerance (Scholz et al., 2000). HangAE10 mutants develop reduced ethanol tolerance because of defects in the cellular stress response (Scholz et al., 2005). For a better understanding of molecular mechanisms or signaling pathways, HANG putative target genes were identified, characterized and the protein function was analyzed on cellular level. The Hangover protein has 16 zinc finger domains, two of them are found in RNA modifying proteins (Scholz et al., 2005; Nelissen et al., 1991). This striking protein structure argues for an interaction of HANG with nucleic acids. In immunohistochemical studies with an ectopically expressed Hangover protein neither colocalization with DNA nor detectable Hangover binding on polytene chromosomes was observed. The ectopic expression of HANG in salivary glands shows a speckled protein distribution in the nucleus, which is similar to the expression pattern in RNA modifying proteins (Spector, 2001). Therefore colocalization studies of HANG with markers for RNA modifying proteins were performed. However no interaction with nucleoli was found. Certain factors of the splicing machinery also show no colocalization with Hangover. Since the studies were done with ectopically expressed protein, the results do not necessarily reflect the wild type behavior of HANG, as the interaction partner is not expressed in a comparable amount. RNA binding to specific parts of the Hangover protein was detected by in vitro experiments. Furthermore wild type expression of Hangover in neuronal cells shows the typical speckled distribution of RNA modifying proteins. These results suggest a RNA regulating function of HANG. In cDNA microarray experiments dunce was identified as a putative target gene of Hangover (Klebes and Scholz, unpublished data). The gene dunce encodes a phosphodiesterase that specifically hydrolyses cAMP (Davis and Kiger, 1981). The 14 dnc transcripts can be divided into four groups based on their length and function (http://flybase.org/; Qiu et al., 1993). To confirm the results of the cDNA microarray experiments, semiquantitative RT-PCRs were performed to analyze the differences in dnc transcript levels between wild type and hangAE10 mutants for each dnc group. A reduced amount of dncRMRA transcripts was observed in hangAE10 mutants. On the basis of these results the dncRMRA transcript specific dncΔ143 mutant was generated (Saratsis, 2006) and tested on behavioral level. Behavioral analysis of dnc1 and dncΔ143 mutants showed reduced ethanol tolerance and defects in the cellular stress response. For rescue experiments of reduced ethanol tolerance in hangAE10 and dncΔ143 mutants in specific dncRMRA neurons, the promotor dncRMRA-GAL4 line was generated (Saratsis, 2006). In-situ hybridization studies suggested that the expression pattern of dncRMRA-GAL4 reflects the endogenous expression of the dncRMRA transcripts. For unambiguous results colocalization studies with a specific DncRMRA antibody has to be done. The dncRMRA-GAL4 line shows a broad expression pattern, with transgene expression in about every 200th cell in the brain. It innervates the antennal lobes, parts of the mushroom body and regions of the central complex. The reduced ethanol tolerance in dncΔ143 mutants was rescued to wild type level by expressing UAS-dnc with the promotor dncRMRA-GAL4 line. Whereas the reduced ethanol tolerance in hangAE10 mutants was advanced by expressing UAS-hang with the same GAL4 line. This demonstrates that both mutants involve the same set of neurons for developing ethanol tolerance and probably act in the same signaling pathway. Expression studies showed that dncRMRA lies downstream of hang. The attempt to rescue the reduced ethanol tolerance in hangAE10 flies by expressing dnc using dncRMRA-GAL4 line did not advance the tolerance in these flies. An obvious explanation is that HANG does not only regulate dunce but also other genes and these regulation defects in hangAE10 mutants cannot be reversed by dnc expression. Due to the sensitivity of the UAS/ GAL4 system towards heat it was impossible to rescue the cellular stress response defects in dncΔ143 and hangAE10 mutants. The rescue of the dncΔ143 tolerance phenotype resulted in the assumption that cAMP regulation has an important function in the development of ethanol tolerance. The effect of cAMP on ethanol induced behavior should be tested by expression of cAMP regulating proteins in dncRMRA specific neurons. There the overexpression of dunce should result in an increase and the overexpression of rutabaga should lead to a decrease in cAMP levels. However, for both experiments there was neither a change in ethanol sensitivity nor in ethanol tolerance. An explanation would be that changes in cAMP concentration could be balanced by feedback loops between Dunce and Rutabaga. For a decisive conclusion the cAMP concentration in these flies has to be measured. Overexpressing pka-c, a gene that encodes the catalytic subunit of PKA in dncRMRA specific cells, leads to a higher resistance towards ethanol. This shows that the modulation of cAMP level by Dunce and Rutabaga has no effect on ethanol induced behavior in dncRMRA specific cells. Whereas the intensity of cAMP mediated signaling processes result in behavioral changes. Several mutants of the cAMP signaling pathway are impaired in olfactory learning and memory. Therefore dnc1, dncΔ143 and hangAE10 mutants were tested in this paradigm. Dnc1 as well as dncΔ143 flies showed reduced performance indices two and 30 minutes memory. After 180 minutes the performance index of dncΔ143 mutants was not significantly different from wild type whereas dnc1 mutants still had a reduction in comparison to wild type. Thus, dncΔ143 mutants have defects in short-term memory whereas short-term memory of hangAE10 mutants is not affected. However it is not known how hangAE10 flies will perform for mid-term and long-term memory formation. Similar to memory formation there exist different phases of tolerance development. To detect, if the long-term or the short-term form of tolerance is affected, the kinetic of tolerance development was investigated for dncΔ143 and hangAE10 mutants. In dncΔ143 mutants the first phase of tolerance development is defective, whereas in hangAE10 mutants the early and the late phase seem to be affected. Thus a part of the reduced tolerance in hangAE10 and the complete reduction in dncΔ143 mutants could be due to defects in the same signaling pathway regulated via cAMP. The variable results for the development of short-term memory in both mutants indicate that memory formation in dncΔ143 and hangAE10 mutants is independent of ethanol tolerance development and is regulated by different cAMP signaling pathways.

Foraging behavior is a particularly fascinating topic within the studies of social insects. Decisions made by individuals have effects not only on the individual level, but on the colony level as well. Social information available through foraging in a group modulates individual preferences and shapes the foraging pattern of a colony. Identifying parameters influencing foraging behavior in leaf-cutting ants is especially intriguing because they do not harvest for themselves, but for their symbiotic fungus which in turn influences their plant preferences after the incorporation of the substrate. To learn about the substrates’ unsuitability for the fungus, ants need to be able to identify the incorporated substrate and associate it with detrimental effects on the fungus. Odor is an important plant characteristic known to be used as recognition key outside the nest in the context of foraging. Chapter 1 shows that foragers are able to recall information about the unsuitability of a substrate through odor alone and consequently reject the substrate, which leads to the conclusion that inside the nest, odor might be enough to indentify incorporated substrate. Identification of plant species is a key factor in the foraging success of leaf-cutting ants as they harvest a multitude of different plant species in a diverse environment and host plant availability and suitability changes throughout the year. Fixed plant preferences of individuals through innate tendencies are therefore only one factor influencing foraging decisions. On the individual as well as the colony level, foraging patterns are flexible and a result of an intricate interplay between the different members involved in the harvesting process: foragers, gardeners and the symbiotic fungus. In chapter 2 I identified several conditions necessary for naïve foragers to learn about the unsuitability of substrate inside the nest. In order to exchange of information about the unsuitability of a substrate, the plant in question must be present in the fungus garden. Foragers can learn without own foraging experience and even without experiencing the effects of the substrate on the fungus, solely through the presence of experienced gardeners. The presence of experienced foragers alone on the other hand is not enough to lower the acceptance of substrate by naïve foragers in the presence of naïve gardeners, even if experienced foragers make up the majority of the workforce inside the nest. Experienced foragers are also able to reverse their previous negative experience and start accepting the substrate again. The individual behavior of foragers and gardeners with different experiential backgrounds in the presence of suitable or unsuitable substrate inside the fungus chamber was investigated in chapter 3 to shed some light on possible mechanisms involved in the flow of information about substrate suitability from the fungus to the ants. Gardeners as well as foragers are involved in the leaf processing and treatment of the applied leaf patches on the fungus. If the plant material is unsuitable, significantly more ants treat the plant patches, but foragers are less active overall. Contacts between workers initiated by either gardeners or foragers occur significantly more frequent and last longer if the substrate is unsuitable. Even though experienced gardeners increase naïve foragers’ contact rates and duration with other workers in the presence of suitable plant patches, naïve foragers show no differences in the handling of the plant patches. This suggests that foragers gain information about plant suitability not only indirectly through the gardening workers, but might also be able to directly evaluate the effects of the substrate on the fungus themselves. Outside the nest, foragers influence each other the trail (chapter 4). Foraging in a group and the presence of social information is a decisive factor in the substrate choice of the individual and leads to a distinct and consentaneous colony response when encountering unfamiliar or unsuitable substrates. As leaf-cutting ants harvest different plant species simultaneously on several trails, foragers gain individual experiences concerning potential host plants. Preferences might vary among individuals of the same colony to the degree that foragers on the same trail perceive a certain substrate as either suitable or unsuitable. If the majority of foragers on the trail perceives one of the currently harvested substrates as unsuitable, naïve foragers lower their acceptance within 4 hours. In the absence of a cue in the fungus, naïve foragers harvesting by themselves still eventually (within 6 hours) reject the substrate as they encounter experienced gardeners during visits to the nest within foraging bouts. As foraging trails can be up to 100 m long and foragers spend a considerable amount of time away from the nest, learning indirectly from experienced foragers on the trail accelerates the distribution of information about substrate suitability. The level of rejection of a formerly unsuitable substrate after eight hours of foraging by naïve foragers correlates with the average percentage of unladen experienced foragers active on the trail. This suggests that unladen experienced foragers might actively contact laden naïve workers transmitting information about the unsuitability of the load they carry. Results from experiments were I observed individual laden foragers on their way back to the nest backed up this assumption as individuals were antennated and received bites into the leaf disk they carried. Individuals were contacted significantly more often by nestmates that perceived the carried leaf disk as unsuitable due to previous experience than by nestmates without this experience (chapter 6). Leaf-cutting ants constantly evaluate, learn and re-evaluate the suitability of harvested substrate and adjust their foraging activity accordingly. The importance of the different sources of information within the colony and their effect on the foraging pattern of the colony depend on the presence or absence of each of them as e.g. experienced foragers have a bigger influence on the plant preferences of naïve foragers in the absence of a cue in the fungus garden. / Besonders faszinierend ist das Furagierverhalten sozialer Insekten. Entscheidungen von Individuen haben nicht nur direkte Auswirkungen auf individueller Ebene, sondern auch auf Kolonieebene. Soziale Informationen modulieren individuelle Präferenzen beim Furagieren in der Gruppe und beeinflussen dadurch das Aktivitätsmuster der Kolonie. Die Identifizierung der Faktoren, die das Furagierverhalten beeinflussen, ist bei Blattschneiderameisen komplex, da sie nicht für sich, sondern für ihren symbiotischen Pilz furagieren. Dieser wiederum beeinflusst die Pflanzenwahl der Ameisen nach der Einarbeitung des Pflanzenmaterials in den Pilz. Um zu lernen, dass das eingebaute Substrat für den Pilz ungeeignet ist, müssen die Ameisen in der Lage sein, das bereits eingebaute Substrat zu identifizieren und mit den negativen Effekten auf den Pilz zu assoziieren. Duft ist ein bedeutendes Pflanzencharakteristikum, das außerhalb des Nestes als Identifizierungsmerkmal im Furagierkontext verwendet wird. In Kapitel 1 zeige ich, das Pflanzendüfte alleine ausreichen um Furageuren die Information aus dem Pilzgarten über die des Substrates ins Gedächtnis zu rufen. Furageure lehnen auf Grund des Duftes allein das Substrat bereits ab. Dies lässt den Rückschluss zu, dass Duft möglicherweise als Identifizierungsmerkmal des in den Pilz eingebauten Substrats ausreichend ist. Die Identifizierung von Pflanzenarten ist ein wesentlicher Faktor des Furagiererfolgs bei Blattschneiderameisen, da diese eine Vielzahl unterschiedlicher Pflanzenarten ernten, deren Verfügbarkeit und Eignung sich im Jahresverlauf ändert. Angeborene individuelle Präferenzen sind daher nur einer von mehreren Faktoren, die die Furagierentscheidungen beeinflussen. Sowohl auf individueller als auch auf Kolonieebene sind die beobachteten Muster in der Furagieraktivität flexibel und das Ergebnis eines komplexen Wechselspiels aller Beteiligten im Furagierprozess: die Furageure, die Gärtnerinnen und der symbiotische Pilz. In Kapitel 2 habe ich mehrere Bedingungen identifiziert, die notwendig sind, damit naive Furageure im Nest lernen können, das ein Substrat für den Pilz ungeeignet ist. Um Informationen über die Pflanzenqualität austauschen zu können, ist die Anwesenheit des Substrats im Nest erforderlich. Furageure können allein durch die Anwesenheit erfahrener Gärtnerinnen lernen, ohne eigene Furagiererfahrung und ohne die negativen Effekte des Substrats auf den Pilz erfahren zu haben. Andererseits ist die Anwesenheit erfahrener Furageure allein nicht genug, um die Akzeptanz des Substrats durch naive Furageure zu verringern, wenn die Gärtnerinnen naiv sind, selbst wenn die erfahrenen Furageure die Mehrzeit der Tiere im Nest stellen. Erfahrene Furageure sind auch in der Lage, ihre früheren negativen Erfahrungen zu revidieren und das Substrat wieder zu akzeptieren. Das Individualverhalten von Furageuren und Gärtnerinnen mit unterschiedlichem Erfahrungshintergrund in der Anwesenheit von geeignetem oder ungeeignetem Pflanzenmaterial im Pilz wurde in Kapitel 3 untersucht. Hierbei sollten mögliche Mechanismen des Informationsflusses vom Pilz zu den Ameisen aufgedeckt werden. Sowohl Gärtnerinnen als auch Furageure sind in die Bearbeitung des Blattmaterials involviert. Ist das Blattmaterial ungeeignet, wird es von signifikant mehr Ameisen bearbeitet, aber die allgemeine Aktivität der Furageure ist geringer als bei der Bearbeitung von geeignetem Substrat. Ist das Pflanzenmaterial ungeeignet, finden signifikant mehr und längere Kontakte zwischen den Ameisen statt. Die Anwesenheit erfahrener Gärtnerinnen hat keinen Einfluss auf die Bearbeitungszeit oder Frequenz des geeigneten Blattmaterials durch naive Furageure, sie haben aber einen Einfluss auf die von naiven Furageuren induzierten Kontakte. Diese sind in Anwesenheit von erfahrenen Gärtnerinnen häufiger und länger. Dies lässt vermuten, das Furageure sowohl direkt über den Zustand des Pilzes, als auch indirekt durch Kontakte mit erfahrenen Gärtnerinnen lernen, das ein Substrat für den Pilz ungeeignet ist. Außerhalb des Nestes beeinflussen sich Furageure gegenseitig auf den Erntestraßen (Kapitel 4). Das Furagieren in der Gruppe und die dadurch zur Verfügung stehende soziale Informationen sind ein entscheidender Faktor in der Pflanzenwahl von Individuen und führt zu einer klaren und deutlichen Kolonieantwort bei unbekannten oder ungeeigneten Pflanzenarten. Da Blattschneiderameisen mehrere Pflanzenarten gleichzeitig auf unterschiedlichen Erntestraßen eintragen, unterscheiden sich Furageure in ihren individuellen Erfahrungen. Individuelle Präferenzen innerhalb einer Kolonie können sich so stark voneinander unterscheiden, dass eine Pflanze von unterschiedlichen Furageuren auf derselben Erntestraße sowohl als geeignet als auch als ungeeignet bewertet werden kann. Wenn die Mehrheit der auf der Erntestraße aktiven Furageure negative Erfahrungen mit dem Substrat hat und es als ungeeignet bewertet, dann verringert sich die Akzeptanz dieses Substrates durch naive Furageure ebenfalls signifikant innerhalb von 4 Stunden. Wenn die negativen Effekte im Pilzgarten nicht mehr zu detektieren sind lehnen naive Furageure in Abwesenheit von erfahren Furageuren das Substrat nach ungefähr 6 Stunden ab, da sie bei ihren Nestbesuchen auf erfahrene Gärtnerinnen stoßen. Da Erntestraßen bis zu 100 m lang sein können und Furageure daher lange unterwegs sind, beschleunigt das indirekte Lernen durch erfahrene Furageure auf der Erntestraße die Verbreitung der Information über die Substratqualität innerhalb der Kolonie. Das Maß der Ablehnung des ursprünglich ungeeigneten Substrats durch naive Furageure nach 8 Stunden furagieren korreliert mit dem durchschnittlichen Prozentsatz an unbeladenen, erfahrenen Furageuren auf der Erntestraße. Dies lässt vermuten, dass unbeladene, erfahrene Furageure beladene naive Furageure aktiv kontaktieren und dadurch Informationen über das ungeeignete Substrat übermitteln. Ergebnisse von Individualbeobachtungen unterstützen diese Vermutung. In Kapitel 6 zeige ich, dass beladene Rekruten auf dem Weg zurück zum Nest signifikant häufiger von anderen Furageuren kontaktiert werden, wenn diese negative Erfahrungen mit der vom Rekruten getragenen Pflanzenart haben als wenn die Pflanzenart als geeignet bewertet wird. Blattschneiderameisen bewerten, lernen und bewerten wieder die Qualität geernteten Substrats und passen ihr Furagierverhalten entsprechend an. Die verschiedenen Informationsquellen über die Pflanzenqualität innerhalb der Kolonie haben eine unterschiedliche Gewichtung abhängig von der An- oder Abwesenheit von einer von Ihnen. Zum Beispiel haben erfahrene Furageure in der Abwesenheit von negativen Effekten im Pilzgarten einen deutlich größeren Einfluss auf die Präferenzen naiver Furageure.

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.

Genetic intervention in the fly Drosophila melanogaster has provided strong evidence that the mushroom bodies of the insect brain act as the seat of memory traces for aversive and appetitive olfactory learning (reviewed in Heisenberg, 2003). In flies, electroshock is mainly used as negative reinforcer. Unfortunately this fact complicates a comparative consideration with other inscets as most studies use sugar as positive reinforcer. For example, several lines of evidence from honeybee and moth have suggested another site, the antennal lobe, to house neuronal plasticity underlying appetitive olfactory memory (reviewed in Menzel, 2001; Daly et al., 2004). Because of this I focused my work mainly on appetitive olfactory learning. In the first part of my thesis, I used a novel genetic tool, the TARGET system (McGuire et al., 2003), which allows the temporally controlled expression of a given effector gene in a defined set of cells. Comparing effector genes which either block neurotransmission or ablate cells showed important differences, revealing that selection of the appropriate effector gene is critical for evaluating the function of neural circuits. In the second part, a new engram of olfactory memory in the Drosophila projection neurons is described by restoring Rutabaga adenlylate cyclase (rut-AC) activity specifically in these cells. Expression of wild-type rutabaga in the projection neurons fully rescued the defect in sugar reward memory, but not in aversive electric shock memory. No difference was found in the stability of the appetitive memories rescued either in projection neurons or Kenyon cells. In the third part of the thesis I tried to understand how the reinforcing signals for sugar reward are internally represented. In the bee Hammer (1993) described a single octopaminergic neuron – called VUMmx1 – that mediates the sugar stimulus in associative olfactory reward learning. Analysis of single VUM neurons in the fly (Selcho, 2006) identified a neuron with a similar morphology as the VUMmx1 neuron. As there is a mutant in Drosophila lacking the last enzymatic step in octopamine synthesis (Monastirioti et al., 1996), Tyramine beta Hydroxylase, I was able to show that local Tyramine beta Hydroxylase expression successfully rescued sugar reward learning. This allows to conclude that about 250 cells including the VUM cluster are sufficient for mediating the sugar reinforcement signal in the fly. The description of a VUMmx1 similar neuron and the involvement of the VUM cluster in mediating the octopaminergic sugar stimulus are the first steps in establishing a neuronal map for US processing in Drosophila. Based on this work several experiments are contrivable to reach this ultimate goal in the fly. Taken together, the described similiarities between Drosophila and honeybee regarding the memory organisation in MBs and PNs and the proposed internal representation of the sugar reward suggest an evolutionarily conserved mechanism for appetitive olfactory learning in insects. / Arbeiten über das assoziative olfaktorische Lernen bei Drosophila, bei denen definierte Gruppen von Nerven genetisch verändert wurden, haben gezeigt, dass die Pilzkörper des Insektengehirns Gedächtnisspuren für aversives und appetitives Geruchslernen besitzen (Heisenberg, 2003). Hierzu wird bei der Fliege meistens Elektroschock als negativer Reiz bei der Pavlovschen Konditionierung benutzt. Leider erschwert dies einen Vergleich mit anderen Insekten, da in den meisten Studien Zucker als positiver Stimulus verwendet wird. Interessanterweise schlagen mehrere Arbeiten bei der Biene und der Motte zusätzlich zu den Pilzkörpern einen weiteren Bereich im Insektengehirn vor, der eine Gedächtnisspur des appetitiven Geruchslernens besitzt, die Antennalloben (Menzel, 2001; Daly et al., 2004). Aus diesen Gründen habe ich mich in meiner Arbeit intensiv mit dem appetitiven Geruchslernen beschäftigt. Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich das TARGET System verwendet (McGuire et al., 2003), welches die zeitlich kontrollierte Expression eines beliebigen Reportergens in definierten Zellen erlaubt. Ein Vergleich verschiedener Effektoren zeigte, dass Proteine, die die Neurotransmission blocken (Shits; TNT, Kir2.1), besser geeignet sind, um die Funktion neuronaler Schaltkreise in Drosophila zu untersuchen. Effektoren, die Zellen abtöten, entfalten lediglich während der Entwicklung ihre volle Aktivität und eignen sich daher, z.B. um das larvale Verhalten zu analysieren. Im zweiten Teil beschreibe ich eine neue Gedächtnisspur für das Geruchslernen in den Projektionsneuronen. Die Expression des wildtypischen rutabaga Gens ausschließlich in diesen Zellen, rettete den Defekt im Zuckerlernen, nicht aber im Elektroschocklernen. Ferner scheinen die Gedächtnisspuren des appetitven Geruchslernens im Pilzkörper und den Projektionsneuronen gleich stabil zu sein. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde die Frage gestellt, wie das Belohnungssignal des Zuckers im Fliegengehirn verarbeitet wird. Hammer (1993) beschrieb in der Biene ein einzelnes octopaminerges Neuron, das VUMmx1 Neuron, welches den Zuckerreiz beim assoziativen Geruchslernen vermittelt. Eine Einzelzellanalyse des VUM clusters von Drosophila zeigte ein ähnliches VUMmx1 Neuron erstmals bei der Fliege (M. Selcho, Diplomarbeit). Durch die lokale Expression der Tyramin beta Hydroxylase, das Oktopamin synthetisierende Enzym, im T-beta-H Mutanten Hintergrund, konnte gezeigt werden, dass ca. 250 Zellen (inklusive des VUM Clusters) ausreichen, das Belohnungssignal des Zuckers zu vermitteln. Beides, die Identifizierung eines VUMmx1 ähnlichen Neurons in der Fliege und die Eingrenzung der Neuronen, die das Belohnungssignal vermitteln, bilden die Basis für weitergehende Versuche. Diese erlauben es, neuronale Schaltkreise der US (Zucker)-Verarbeitung beim assoziativen olfaktorischen Lernen detailliert zu beschreiben. Insgesamt legen die übereinstimmenden Gedächtnisspuren im Pilzkörper und den Projektionsneuronen von Drosophila und der Honigbiene nahe, dass das olfaktorische Belohnungslernen einem in der Evolution konservierten Mechanismus entstammt.

According to a changing environment it is crucial for animals to make experience and learn about it. Sensing, integrating and learning to associate different kinds of modalities enables animals to expect future events and to adjust behavior in the way, expected as the most profitable. Complex processes as memory formation and storage make it necessary to investigate learning and memory on different levels. In this context Drosophila melanogaster represents a powerful model organism. As the adult brain of the fly is still quite complex, I chose the third instar larva as model - the more simple the system, the easier to isolate single, fundamental principles of learning. In this thesis I addressed several kinds of questions on different mechanism of olfactory associative and synaptic plasiticity in Drosophila larvae. I focused on short-term memory throughout my thesis. First, investigating larval learning on behavioral level, I developed a one-odor paradigm for olfactory associative conditioning. This enables to estimate the learnability of single odors, reduces the complexity of the task and simplify analyses of "learning mutants". It further allows to balance learnability of odors for generalization-type experiments to describe the olfactory "coding space". Furthermore I could show that innate attractiveness and learnability can be dissociated and found finally that paired presentation of a given odor with reward increase performance, whereas unpaired presentations of these two stimuli decrease performance, indicating that larva are able to learn about the presence as well as about the absence of a reward. Second, on behavioral level, together with Thomas Niewalda and colleagues we focussed on salt processing in the context of choice, feeding and learning. Salt is required in several physiological processes, but can neither be synthesized nor stored. Various salt concentrations shift the valence from attraction to repulsion in reflexive behaviour. Interestingly, the reinforcing effect of salt in learning is shifted by more than one order of magnitude toward higher concentrations. Thus, the input pathways for gustatory behavior appear to be more sensitive than the ones supporting gustatory reinforcement, which is may be due to the dissociation of the reflexive and the reinforcing signalling pathways of salt. Third, in cooperation with Michael Schleyer we performed a series of behavioral gustatory, olfactory preference tests and larval learning experiments. Based on the available neuroanatomical and behavioral data we propose a model regarding chemosensory processing, odor-tastant memory trace formation and the 'decision' like process. It incorporates putative sites of interaction between olfactory and gustatory pathways during the establishment as well as behavioral expression of odor-tastant memory. We claim that innate olfactory behavior is responsive in nature and suggest that associative conditioned behavior is not a simple substitution like process, but driven more likely by the expectation of its outcome. Fourth, together with Birgit Michels and colleagues we investigated the cellular site and molecular mode of Synapsin, an evolutionarily conserved, presynaptic vesicular phosphoprotein and its action in larval learning. We confirmed a previously described learning impairment upon loss of Synapsin. We localized this Synapsin dependent memory trace in the mushroom bodies, a third-order "cortical" brain region, and could further show on molecular level, that Synapsin is as a downstream element of the AC-cAMP-PKA signalling cascade. This study provides a comprehensive chain of explanation from the molecular level to an associative behavioral change. Fifth, in the main part of my thesis I focused on molecular level on another synaptic protein, the Synapse associated protein of 47kDa (Sap47) and its role in larval behavior. As a member of a phylogenetically conserved gene family of hitherto unknown function. It is localized throughout the whole neuropil of larval brains and associated with presynaptic vesicles. Upon loss of Sap47 larvae exhibit normal sensory detection of the to-be-associated stimuli as well as normal motor performance and basic synaptic transmission. Interestingly, short-term plasticity is distorted and odorant–tastant associative learning ability is reduced. This defect in associative function could be rescued by restoring Sap47 expression. Therefore, this report is the first to suggest a function for Sap47 and specifically argues that Sap47 is required for synaptic as well as for behavioral plasticity in Drosophila larva. This prompts the question whether its homologs are required for synaptic and behavioral plasticity also in other species. Further in the last part of my thesis I contributed to the study of Ayse Yarali. Her central topic was the role of the White protein in punishment and relief learning in adult flies. Whereas stimuli that precede shock during training are subsequently avoided as predictors for punishment, stimuli that follow shock during training are later on approached, as they predict relief. Concerning the loss of White we report that pain-relief learning as well as punishment learning is changed. My contribution was a comparison between wild type and the white1118 mutant larvae in odor-reward learning. It turned out that a loss of White has no effect on larval odorant-tastant learning. This study, regarding painrelief learning provides the very first hints concerning the genetic determinants of this form of learning. / In einer belebten, sich stetig wandelnden Umwelt ist es essenziell für Lebewesen, Informationen wahrzunehmen und Erfahrungen zu sammeln, um ihr Verhalten entsprechend zu modifizieren. Verschiedene Arten von Reizen werden wahrgenommen, integriert und gespeichert. Dies ermöglicht Tieren künftige Ereignisse vorherzusehen und ihr Verhalten entsprechend ihren Erwartungen anzupassen. Die Komplexität von Lernprozessen und Gedächtnisspeicherung macht es notwendig, diese Prozesse auf unterschiedlichen Ebenen zu untersuchen. In diesem Zusammenhang hat sich Drosophila melanogaster als besonders geeigneter Modellorganismus herauskristallisiert. Trotz einer relativ geringen neuronalen Komplexität im Vergleich zu höheren Organismen, zeigt sie ein reichhaltiges Verhaltensrepertoire. Dennoch ist das Gehirn von adulten Furchtfliegen ein hoch komplexes System. Je einfacher ein System ist, umso vielversprechender ist es scheinbar, einzelne fundamentale Aspekte dieses Systems zu isolieren und zu untersuchen. In meiner Arbeit nutzte ich daher als Modelorganismus das dritte Larvenstadium der Fliege und untersuchte auf verschiedenen Ebenen unterschiedliche Mechanismen olfaktorischer, assoziativer und synaptischer Plastizität. Dabei fokussierte ich mich stets auf Kurzzeitgedächtnis. Zunächst untersuchte ich assoziatives Lernen auf Verhaltensebene. Hierfür entwickelte ich ein Ein-Duft-Lernparadigma für olfaktorische klassische Konditionierung von Drosophila Larven. Dies ermöglicht, die Lernbarkeit von einzelnen Düften zu untersuchen, reduziert die Komplexität der Aufgabenstellung für die Larven und vereinfacht die Analyse von Lernmutanten. Weiterhin erlaubt es die Lernbarkeit von Düften für Generalisierungs-experimente zu balancieren, um zu beschreiben, wie Duftidentitäten im Nervensystem kodiert werden. Ich konnte zeigen, dass die Lernbarkeit von Düften nicht unmittelbar mit der naiven Duftpräferenz korreliert. Ferner konnte in dieser Studie nachgewiesen werden, dass durch gepaarte Präsentation von Duft und Zuckerbelohnung die Präferenz im Bezug auf diesen Duft zunimmt, wohingegen ungepaarte Präsentation dieser beiden Reize zu einer Abnahme der Duftpräferenz führt. Dies weist darauf hin, dass es Larven auch möglich ist etwas über die Abwesenheit der Belohnung zu lernen. In einer zweiten Studie befasste ich mich, in Zusammenarbeit mit Thomas Niewalda, mit der Verarbeitung von Salz im Bezug auf das Wahl-, Fress- und Lernverhalten von Drosophila Larven. Salze spielen in mehreren physiologischen Prozessen eine bedeutende Rolle, können von Larven aber weder synthetisiert noch gespeichert werden. Unterschiedliche Salzkonzentrationen haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Larvenverhalten. Während niedrige Konzentrationen von Larven bevorzugt werden, werden hohe Salzkonzentrationen vermieden. Lernexperimente zeigten, dass Salz ebenfalls dosisabhängig als positiver oder negativer Verstärker wirkt. Interessanterweise zeigt sich im Vergleich zum Wahl- und Fressverhalten, dass der Punkt, an dem Salz von einem appetitiven zu einem aversiven Stimulus wird, um mehr als eine Größenordnung in Richtung höherer Konzentrationen verschoben ist. Die Sensitivität der gustatorischen Transduktion ist somit höher als die Transduktion des Verstärkersignals. Möglicherweise liegt dies an der Dissoziation dieser beiden Transduktionswege. In der dritten Studie dieser Arbeit wurden, in Kooperation mit Michael Schleyer, eine Vielzahl an olfaktorischen und gustatorischen Präferenztests, sowie eine Reihe an Lernexperimenten durchgeführt. Basierend auf bekannten Neuroanatomiestudien und unseren Verhaltensdaten, propagieren wir ein Model für Duft- und Geschmacksprozessierung, die Etablierung von Gedächtnisspuren, sowie Entscheidungsprozessen. Sowohl mögliche Interaktionen zwischen olfaktorischen und gustatorischen Transduktionswegen, sowie der Abruf von Gedächtnisinhalten werden berücksichtigt. Wir schlagen vor, dass naives olfaktorisches Verhalten natürlicherweise reflexiv ist. Assoziativ konditioniertes Verhalten kann allerdings nicht als reiner Substitutionsprozess betrachtet werden, sondern wird besser interpretiert im Hinblick auf die Erwartung, die er auslöst, woraufhin ein bestimmtes Verhaltensprogramm gestartet wird. In Zusammenarbeit mit Birgit Michels untersuchte ich auf zellulärer Ebene die molekulare Funktion von Synapsin im assoziativen Lernen von Drosophila Larven. Synapsin gehört zu den hochkonservierten, präsynaptischen, vesikulären Phosphoproteinen. Wir konnten einen früher bereits beschriebenen Lernphänotyp von Synapsin Mutanten Larven bestätigen. Die Synapsin abhängige Gedächtnisspur konnten wir auf wenige Zellen im Pilzkörper, einer dem olfaktorischen Cortex der Vertebraten homologen Struktur, lokalisieren. Auf molekularer Ebene wurde nachgewiesen, dass Synapsin ein Zielprotein in der bekannten AC-cAMP-PKA Lernkaskade ist. Diese Studie zeigt einen Zusammenhang zwischen molekularen Mechanismen assoziativer Plastizität und einer daraus resultierenden Verhaltensänderung der Tiere. In meinem Hauptprojekt befasste ich mich auf molekularer Ebene mit einem weiteren synaptischen Protein, dem Synapsen assoziierten Protein von 47kDa (Sap47) und seiner Rolle im Verhalten von Drosophila Larven. Sap47 wird in allen neuropilen Bereichen expremiert und ist mit synaptischen Vesikeln assoziiert. Das Fehlen von Sap47 beeinflusst weder die Detektion der zu assoziierenden Reize, noch das Kriechverhalten der Larven. Auch die synaptische Übertragung, ausgelöst durch einzelne Stimulationen an der neuromuskulären Synapse, ist nicht beeinträchtigt. Interessanterweise führt das Fehlen von Sap47 sowohl zu veränderter Kurzzeit-Plastizität an dieser Synapse, sowie zu einer Einschränkung in der Bildung von Duft-Zucker-Gedächtnis. Diese Studie liefert einen ersten Hinweis auf eine Funktion von Sap47 in synaptischer und assoziativer Plastizität. Es stellt sich die Frage, ob auch in anderen Organismen die zu Drosophila Sap47-homologen Proteine notwendig für synaptische und Lernplastizität sind. Im letzten Teil meiner Dissertation war ich an einem Projekt von Ayse Yarali beteiligt. Die zentrale Fragestellung in dieser Studie war, ob eine Mutation im white Gen Bestrafungs- und/ oder Erleichterungslernen beeinflusst. Wird ein neutraler Reiz während einer Trainingsphase mit einem Elektroschock bestraft, wird dieser später konsequent vermieden, da er einen Elektroschock vorhersagt (Bestrafungslernen). Eine Umkehrung der Reihenfolge der Stimulipräsentation, sodass dem Schock stets ein neutraler Stimulus folgt, führt später, in der Testphase, zu einer positiven Reaktion auf diesen naiv neutralen Reiz (Erleichterungslernen). Ein Verlust des White Proteins in white1118 Mutanten verändert beide Arten von Gedächtnissen in adulten Fliegen. Meine Beteiligung an dieser Arbeit war ein Vergleich zwischen wildtypischen Larven und white1118 mutanten Larven in Duft-Zucker Assoziationsexperimenten. Es zeigte sich, dass der Verlust dieses Proteins auf larvale Duft-Zucker Konditionierung keinen Einfluss hat. Im Larvenlernen kann somit das Verhalten von transgenen Tieren, die zumeist eine Mutation im white Gen als Markergen tragen, interpretiert werden, ohne die Funktion des white Gens berücksichtigen zu müssen. Im Bezug auf Erleichterungslernen liefert diese Arbeit einen ersten Hinweis auf eine genetische Komponente, der entscheidend für diese Art des assoziativen Lernens ist.

An animal depends heavily on its sense of smell and its ability to form olfactory associations as this is crucial for its survival. This thesis studies in two parts about such associative olfactory learning in larval Drosophila. The first part deals with different aspects of odour processing while the second part is concerned with aspects related to memory and learning. Chapter I.1 highlights how odour intensities could be integrated into the olfactory percept of larval Drosophila. I first describe the dose-effect curves of learnability across odour intensities for different odours and then choose odour intensities from these curves such that larvae are trained at intermediate odour intensity, but are tested for retention with either that trained intermediate odour intensity, or with respectively HIGHer or LOWer intensities. I observe a specificity of retention for the trained intensity for all the odours used. Further I compare these findings with the case of adult Drosophila and propose a circuit level model of how such intensity coding comes about. Such intensity specificity of learning adds to appreciate the richness in 'content' of olfactory memory traces, and to define the demands on computational models of olfaction and olfactory learning. Chapter I.2 provides a behaviour-based estimate of odour similarity using four different types of experiments to yield a combined, task-independent estimate of perceived difference between odour-pairs. Further comparison of these perceived differences to published measures of physico- chemical difference reveals a weak correlation. Notable exceptions to this correlation are 3-octanol and benzaldehyde. Chapter I.3 shows for two odours (3-octanol and 1-octene-3-ol) that perceptual differences between these odours can either be ignored after non-discriminative training (generalization), or accentuated by odour-specific reinforcement (discrimination). Anosmic Or83b1 mutants have lost these faculties, indicating that this adaptive adjustment is taking place downstream of Or83b expressing sensory neurons. Chapter II.1 of this thesis deals with food supplementation with dried roots of Rhodiola rosea. This dose-dependently improves odour- reward associative function in larval Drosophila. Supplementing fly food with commercially available tablets or extracts, however, does not have a 'cognitive enhancing' effect, potentially enabling us to differentiate between the effective substances in the root versus these preparations. Thus Drosophila as a genetically tractable study case should now allow accelerated analyses of the molecular mechanism(s) that underlie this 'cognitive enhancement' conveyed by Rhodiola rosea. Chapter II.2 describes the role of Synapsin, an evolutionarily conserved presynaptic phosphoprotein using a combined behavioural and genetic approach and asks where and how, this protein affects functions in associative plasticity of larval Drosophila. This study shows that a Synapsin-dependent memory trace can be pinpointed to the mushroom bodies, a 'cortical' brain region of the insects. On the molecular level, data in this study assign Synapsin as a behaviourally- relevant effector of the AC-cAMP-PKA cascade. / Das Überleben von Tieren ist in hohem Maße abhängig von ihrer Fähigkeit zu riechen und olfaktorische Gedächtnisse zu bilden. Meine Arbeit besteht aus zwei Abschnitten, in denen ich solche Prozesse anhand von Drosophila Larven untersuche. Im ersten Abschnitt beschreibe ich verschiedene Aspekte der Geruchsprozessierung, der zweite Abschnitt betrifft Gedächtnis- und Lernprozesse. Kapitel I.1 handelt davon, wie Geruchsintensitäten in die olfaktorische Wahrnehmung von Drosophila-Larven integriert sein könnten. Zuerst beschreibe ich die Lernbarkeit verschiedener Duftstoffe abhängig von ihren Intensitäten. Anhand dieser Dosis-Wirkungs-Kurven wähle ich dann eine niedrige, eine mittlere, und eine hohe Duft-Intensität. Ich trainiere Larven mit der mittleren Duft-Intensität und teste sie entweder mit dieser mittleren Intensität, oder mit der höheren, oder mit der niedrigen Duft-Intensität. Ich beobachte, dass der Gedächtnisabruf mit der trainierten Intensität für alle verwendeten Duftstoffe am besten ist. Außerdem vergleiche ich diese Ergebnisse mit denen von adulten Fruchtfliegen und schlage ein Schaltkreis-Modell vor, das erklärt, wie eine solche Kodierung der Intensität zustande kommen kann. Eine solche Spezifität für Intensitäten beim Lernen erweitert die bisher bekannte Fülle des ‚Inhalts’ von olfaktorischen Gedächtnisspuren und die Anforderungen an Computermodelle über Riechen und Geruchslernen. In Kapitel I.2 untersuche ich Ähnlichkeitsbeziehungen zwischen Duftpaaren anhand der Wahrnehmung von Larven. Ich verwende dazu vier verschiedene Typen von Lernexperimenten. Durch Kombination der Ergebnisse dieser vier Experimente erhalte ich eine aufgabenunabhängige Abschätzung der vom Tier wahrgenommenen Ähnlichkeiten zwischen Paaren von Duftstoffen. Ein Vergleich dieser wahrgenommenen Ähnlichkeiten mit veröffentlichten Messungen von physikalischen und chemischen Ähnlichkeiten ergibt eine schwache Korrelation. Eine erwähnenswerte Ausnahme zu dieser Korrelation ist das Duftpaar 3-Octanol und Benzaldehyd. Kapitel I.3 zeigt für zwei Duftstoffe (3-Octanol und 1-Octen-3-ol), dass die wahrgenommene Ähnlichkeit zwischen diesen beiden Duftstoffen abhängig ist von der Art des Trainings. Wenn die Tiere nicht-diskriminativ trainiert werden, werden die Düfte vom Tier generalisiert, während diskriminatives Training die wahrgenommene Unterschiede zwischen den Düften erhöht. Anosmische Or83b1-Mutanten haben diese Fähigkeiten verloren, was darauf hindeutet, das diese adaptive Anpassung in Nervenzellen stattfindet, die den Or83b-exprimierenden sensorischen Neuronen nachgeschaltet sind. In Kapitel II.1 untersuche ich die Auswirkung von Zugabe getrockneter Wurzeln der Pflanze Rhodiola rosea zum Fliegenfutter. Ich finde heraus, dass Rhodiola rosea dosisabhängig die olfaktorische Konditionierung von Drosophila-Larven verbessert. Die Zugabe von kommerziell verfügbaren Tabletten oder Extrakten zum Fliegenfutter hat keinen positiven Effekt auf solche „kognitiven“ Fähigkeiten, was uns möglicherweise erlaubt, zwischen den effektiven Substanzen der Wurzel und diesen Präparaten zu differenzieren. Drosophila als genetisch manipulierbarer Modellorganismus sollte uns nun weiterführende Analysen der molekularen Mechanismen erlauben, die dieser „kognitiven Verbesserung“ durch Rhodiola rosea zugrunde liegen. Kapitel II.2 beschreibe ich die Funktion von Synapsin, einem evolutionär konservierten präsynaptischen Phosphoprotein. Ich verwende dazu einen kombinierten verhaltensbasierten und genetischen Ansatz. Untersucht wird, wo und wie dieses Protein assoziative Plastizität im Gehirn von Drosophila-Larven beeinflusst. Diese Studie zeigt, dass eine Synapsin-abhängige Gedächtnisspur im Pilzkörper, einer „kortikalen“ Gehirnregion der Insekten, lokalisiert werden kann. Auf der molekularen Ebene zeigen die Ergebnisse dieser Studie Synapsin als einen im Verhalten wichtigen Effektor der AC-cAMP-Kaskade. * Many thanks to M. Schlayer, T. Niewalda and T. Saumweber for their help in this translation.

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.