The monarch butterfly (Danaus plexippus) performs one of the most astonishing behaviors in the animal kingdom: every fall millions of these butterflies leave their breeding grounds in North Amerika and migrate more than 4.000 km southwards until they reach their overwintering habitat in Central Mexico. To maintain their migratory direction over this enormous distance, the butterflies use a time-compensated sun compass. Beside this, skylight polarization, the Earth’s magnetic field and specific mountain ranges seem to guide the butterflies as well the south. In contrast to this fascinating orientation ability, the behavior of the butterflies in their non-migratory state received less attention. Although they do not travel long distances, they still need to orient themselves to find food, mating partners or get away from competitors. The aim of the present doctoral thesis was to investigate use of visual cues for orientation in migrating as well as non-migrating monarch butterflies. For this, field experiments investigating the migration of the butterflies in Texas (USA) were combined with experiments testing the orientation performance of non-migratory butterflies in Germany. In the first project, I recorded the heading directions of tethered butterflies during their annual fall migration. In an outdoor flight simulator, the butterflies maintained a southwards direction as long as they had a view of the sun’s position. Relocating the position of the sun by 180° using a mirror, revealed that the sun is the animals’ main orientation reference. Furthermore, I demonstrated that when the sun is blocked and a green light stimulus (simulated sun) is introduced, the animals interpreted this stimulus as the ‘real’ sun. However, this cue was not sufficient to set the migratory direction when simulated as the only visual cue in indoor experiments. When I presented the butterflies a linear polarization pattern additionally to the simulated sun, the animals headed in the correct southerly direction showing that multiple skylight cues are required to guide the butterflies during their migration. In the second project, I, furthermore, demonstrated that non-migrating butterflies are able to maintain a constant direction with respect to a simulated sun. Interestingly, they ignored the spectral component of the stimulus and relied on the intensity instead. When a panoramic skyline was presented as the only orientation reference, the butterflies maintained their direction only for short time windows probably trying to stabilize their flight based on optic-flow information. Next, I investigated whether the butterflies combine celestial with local cues by simulating a sun stimulus together with a panoramic skyline. Under this conditions, the animals’ directedness was increased demonstrating that they combine multiple visual cues for spatial orientation. Following up on the observation that a sun stimulus resulted in a different behavior than the panoramic skyline, I investigated in my third project which orientation strategies the butterflies use by presenting different simulated cues to them. While a bright stripe on a dark background elicited a strong attraction of the butterflies steering in the direction of the stimulus, the inverted version of the stimulus was used for flight stabilization. In contrast to this, the butterflies maintained arbitrary directions with a high directedness with respect to a simulated sun. In an ambiguous scenery with two identical stimuli (two bright stripes, two dark stripes, or two sun stimuli) set 180° apart, a constant flight course was only achieved when two sun stimuli were displayed suggesting an involvement of the animals’ internal compass. In contrast, the butterflies used two dark stripes for flight stabilization and were alternatingly attracted by two bright stripes. This shows that monarch butterflies use stimulus-dependent orientation strategies and gives the first evidence for different neuronal pathways controlling the output behavior. / Der Monarchfalter (Danaus plexippus) vollführt eine der atemberaubendsten Verhaltensweisen im Tierreich: Jeden Herbst verlassen Millionen dieser Schmetterlinge ihre Brutgebiete in Nordamerika und migrieren mehr als 4000 km südwärts bis sie ihr Überwinterungsgebiet in Zentralmexico erreichen. Um ihre Migrationsrichtung über diese enorme Distanz einzuhalten, benutzen die Schmetterlinge einen zeitkompensierten Sonnenkompass. Daneben scheinen polarisiertes Licht, das Erdmagnetfeld und bestimmte Gebirgsketten die Schmetterlinge nach Süden zu führen. Im Gegensatz zu dieser faszinierenden Orientierungsfähigkeit wurde dem Verhalten der Schmetterlinge in ihrem nicht-migrierendem Zustand wenig Beachtung geschenkt. Obwohl diese keine großen Distanzen zurücklegen, müssen sie sich dennoch orientieren, um Futter und Paarungspartner zu finden oder Konkurrenten zu entfliehen. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Nutzung visueller Hinweise für die Orientierung von sowohl migrierenden als auch nicht-migrierenden Monarchfaltern zu untersuchen. Dazu wurden Feldexperimente, in denen die Migration der Schmetterlinge in Texas (USA) untersucht wurden, mit Experimenten, in denen das Orientierungsvermögen von nicht-migrierenden Schmetterlingen in Deutschland getestet wurde, verknüpft. Im ersten Projekt habe ich die Flugrichtung von Schmetterlingen während der jährlichen Herbstmigration aufgezeichnet. In einem Flugsimulator im Freien hielten die Schmetterlinge eine südliche Richtung, solange sie eine freie Sicht auf die Sonne hatten. Eine Versetzung der Sonnenposition um 180° mit Hilfe eines Spiegels zeigte auf, dass die Sonne die wichtigste Orientierungsreferenz der Tiere ist. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Tiere, wenn die Sonne blockiert und ein grüner Lichtstimulus (simulierte Sonne) eingeschaltet wurde, diese simulierte Sonne als "echte" Sonne interpretierten. Dieser Hinweis reichte jedoch nicht aus, um die Migrationsrichtung festzulegen, wenn er als einziger visueller Hinweis im Labor simuliert wurde. Als ich den Schmetterlingen zusätzlich zur simulierten Sonne ein lineares Polarisationsmuster präsentierte, flogen die Tiere in die richtige, südliche Richtung. Das zeigt, dass mehrere Himmelshinweise erforderlich sind, um die Schmetterlinge während ihrer Migration zu steuern. Im zweiten Projekt habe ich weiterhin gezeigt, dass nicht migrierende Schmetterlinge in der Lage sind eine konstante Richtung relativ zu einer simulierten Sonne beizubehalten. Interessanterweise ignorierten sie die spektrale Komponente des Stimulus und verließen sich stattdessen auf die Intensität. Als ein Panorama als einzige Orientierungsreferenz präsentiert wurde, hielten die Schmetterlinge ihre Richtung nur für kurze Zeitfenster und versuchten vermutlich, ihren Flug basierend auf Informationen des optischen Flusses zu stabilisieren. Als Nächstes untersuchte ich, ob die Schmetterlinge Himmelshinweise und lokale Hinweisen kombinieren, indem ich eine Sonne zusammen mit einem Panorama simulierte. Unter diesen Bedingungen war die Gerichtetheit der Flüge erhöht, was zeigt, dass die Tiere mehrere visuelle Hinweise zur räumlichen Orientierung kombinieren. Beruhend auf der Beobachtung, dass ein Sonnenstimulus zu einem anderen Verhaltensmuster führte als das Panorama, untersuchte ich in meinem dritten Projekt, welche Orientierungsstrategien die Schmetterlinge verwenden. Hierfür präsentierte ich den Tieren verschiedene simulierte Hinweise. Während ein heller Streifen auf dunklem Hintergrund eine starke Anziehungskraft auf die Schmetterlinge, die in die Richtung des Reizes flogen, ausübte, wurde die invertierte Version des Stimulus zur Flugstabilisierung verwendet. Im Gegensatz dazu hielten die Schmetterlinge beliebige Richtungen mit einer hohen Gerichtetheit relativ zu einer simulierten Sonne ein. In einer uneindeutigen Szenerie mit zwei identischen Reizen (zwei helle Streifen, zwei dunkle Streifen oder zwei Sonnenstimuli), die um 180° versetzt waren, wurde eine konstante Flugrichtung nur dann erreicht, wenn zwei Sonnenstimuli gezeigt wurden. Das deutet auf eine Beteiligung des inneren Kompasses der Tiere hin. Im Gegensatz dazu nutzten die Schmetterlinge zwei dunkle Streifen zur Flugstabilisierung und wurden abwechselnd von zwei hellen Streifen angezogen. Dies zeigt, dass Monarchfalter stimulus-abhängige Orientierungsstrategien verwenden, und liefert den ersten Nachweis für unterschiedliche neuronale Verschaltungswege, die das Verhalten steuern.

Monarch butterflies are famous for their annual long-distance migration. Decreasing temperatures and reduced daylight induce the migratory state in the autumn generation of monarch butterflies. Not only are they in a reproductive diapause, they also produce fat deposits to be prepared for the upcoming journey: Driven by their instinct to migrate, they depart from their eclosion grounds in the northern regions of the North American continent and start their southern journey to their hibernation spots in Central Mexico. The butterflies cover a distance of up to 4000 km across the United States. In the next spring, the same butterflies invert their preferred heading direction due to seasonal changes and start their northward spring migration. The spring migration is continued by three consecutive butterfly generations, until the animals repopulate the northern regions in North America as non-migratory monarch butterflies. The monarch butterflies’ migratory state is genetically and epigenetically regulated, including the directed flight behavior. Therefore, the insect’s internal compass system does not only have to encode the butterflies preferred, but also its current heading direction. However, the butterfly’s internal heading representation has to be matched to external cues, to avoid departing from its initial flight path and increasing its risk of missing its desired destination. During the migratory flight, visual cues provide the butterflies with reliable orientation information. The butterflies refer to the sun as their main orientation cue. In addition to the sun, the butterflies likely use the polarization pattern of the sky for orientation. The sky compass signals are processed within a region in the brain, termed the central complex (CX). Previous research on the CX neural circuitry of the monarch butterflies demonstrated that tangential central complex neurons (TL) carry the visual input information into the CX and respond to a simulated sun and polarized light. However, whether these cells process additional visual cues like the panoramic skyline is still unknown. Furthermore, little is known about how the migratory state affects visual cue processing. In addition to this, most experiments studying the monarch butterfly CX focused on how neurons process single visual cues. However, how combined visual stimuli are processed in the CX is still unknown. This thesis is investigating the following questions: 1) How does the migratory state affect visual cue processing in the TL cells within the monarch butterfly brain? 2) How are multiple visual cues integrated in the TL cells? 3) How is compass information modulated in the CX? To study these questions, TL neurons from both animal groups (migratory and non-migratory) were electrophysiologically characterized using intracellular recordings while presenting different simulated celestial cues and visual sceneries. I showed that the TL neurons of migratory butterflies are more narrowly tuned to the sun, possibly helping them in keeping a directed flight course during migration. Furthermore, I found that TL cells encode a panoramic skyline, suggesting that the CX network combines celestial and terrestrial information. Experiments with combined celestial stimuli revealed that the TL cells combine both cue information linearly. However, if exposing the animals to a simulated visual scenery containing a panoramic skyline and a simulated sun, the single visual cues are weighted differently. These results indicate that the CX’s input region can flexibly adapt to different visual cue conditions. Furthermore, I characterize a previously unknown neuron in the monarch butterfly CX which responds to celestial stimuli and connects the CX with other brain neuropiles. How this cell type affects heading direction encoding has yet to be determined. / Monarchfalter sind berühmt für ihre jährlichen Migrationsflüge. Sinkende Temperaturen und die verkürzte Tageslichtbestrahlung induzieren die Migration in einer Herbstgeneration der Monarchfalter. Sie sind nicht nur in reproduktiver Diapause, sondern produzieren Fettreserven für die bevorstehende Reise: Getrieben von ihrem Migrationsinstinkt verlassen sie ihre Schlüpfstätten in den nördlichen Regionen des Nordamerikanischen Kontinents und starten ihre südliche Wanderung zu ihren Überwinterunsgstätten in Zentralmexiko. Dabei legen die Schmetterlinge Strecken von bis zu 4000 km durch die Vereinigten Staaten zurück. Im nächsten Frühling kehren die gleichen Schmetterlinge ihre Vorzugsrichtung durch die jahreszeitlich bedingten Veränderungen um und die Tiere bewegen sich nordwärts. Die Frühlingsgeneration wird insgesamt über drei Schmetterlingsgeneration durchgeführt, bis die Tiere die nördlichen Regionen in Nordamerika wieder als nicht-migrierende Monarchfalter besiedeln. Der Migrationsstatus der Monarchfalter ist genetisch und epigenetisch reguliert, was auch das gerichtete Flugverhalten einschließt. Demnach muss das interne Kompasssystem der Falter nicht nur die bevorzugte, sondern auch die aktuelle Flugrichtung prozessieren. Die interne Repräsentation der Flugrichtung des Falters muss jedoch mit der Umwelt abgeglichen werden, ansonsten droht das Tier von der ursprünglichen Flugrichtung abzuweichen und erhöht das Risiko den Wunschort nicht zu erreichen. Während des Migrationsfluges bieten visuelle Signale verlässliche Orientierungsinformationen. Dabei ist die Sonne ihre Hauptorientierungsreferenz. Zusätzlich zur Sonne nutzen die Schmetterlinge vermutlich noch das Polarisationsmuster des Himmels zur Orientierung. Diese Himmelskompasssignale werden im Gehirn in einer Gehirnregion, den Zentralkomplex, integriert. Vergangene Forschungsprojekte am Zentralkomplex haben gezeigt, dass tangentiale Zentralkomplex-Neurone (TL) die visuellen Signale in den Zentralkomplex leiten und auf eine simulierte Sonne und polarisiertes Licht sensitiv sind. Ob diese Zellen noch weitere visuelle Signale verarbeiten, wie zum Beispiel den Horizont eines Panoramas, ist nicht bekannt. Auch ist der Einfluss des Migrationsstatus auf die visuelle Signalverarbeitung im Zentralkomplex bisher unerforscht. Des Weiteren haben die meisten Experimente am Zentralkomplex des Monarchfalters den Fokus auf die Verarbeitung einzelner simulierter visueller Reize gelegt. Wie aber Kombinationen aus Stimuli im Zentralkomplex verarbeitet werden, ist nicht bekannt.   Diese Dissertation beschäftigt sich mit folgenden Fragen: 1) Wie beeinflusst der Migrationsstatus die visuelle Reizverarbeitung in TL-Zellen im Monarchfaltergehirn? 2) Wie werden mehrere visuelle Reize in TL-Zellen miteinander kombiniert? 3) Wie wird Kompassinformation im Zentralkomplex moduliert? In diesem Zusammenhang wurden TL-Neurone aus beiden Gruppen (migrierende und nichtmigrierende Monarchfalter) elektrophysiologisch mittels intrazellulärer Aufnahmen charakterisiert, während den Tieren unterschiedliche simulierte Himmelkompasssignale und visuelle Szenerien präsentiert wurden. Hierbei konnte ich zeigen dass die TL-Neuronen in migrierenden Tieren ein engeres Tuning zur Sonne aufwiesen, was den Tieren helfen könnte, eine gerichtete Flugrichtung zu halten. Außerdem antworten die TL-Neurone auf ein Panorama, womit der Zentralkomplex in der Lage wäre, Himmelskompasssignale mit terrestrischer Information zu kombinieren. In Experimenten mit zwei kombinierten simulierten Himmelskompasssignalen konnte ich zeigen, dass die TL-Zellen beide Signalinformationen linear miteinander verrechnen. Wenn die TL-Zellen jedoch mit einer visuellen Szenerie stimuliert werden, welche eine simulierte Sonne und ein Panorama beinhaltet, werden die einzelnen visuellen Signale unterschiedlich gewichtet. Die Ergebnisse sind ein Hinweis darauf, dass die Eingangsregion im Zentralkomplex sich flexibel an die visuellen Signalbedingungen anpassen können. Außerdem habe ich ein bis dahin unbekanntes Neuron während meiner Studien charakterisieren können, welches auf simulierte Himmelskompasssignale antwortet und den Zentralkomplex mit anderen Neuropilen im Gehirn verbindet. Wie dieser Neuronentyp Einfluss auf die Kodierung der Flugrichtung nimmt, muss in der Zukunft weiter erforscht werden.