Accurate information transfer between neurons governs proper brain function. At chemical synapses, communication is mediated via neurotransmitter release from specialized presynaptic intercellular contact sites, so called active zones. Their molecular composition constitutes a precisely arranged framework that sets the stage for synaptic communication. Active zones contain a variety of proteins that deliver the speed, accuracy and plasticity inherent to neurotransmission. Though, how the molecular arrangement of these proteins influences active zone output is still ambiguous. Elucidating the nanoscopic organization of AZs has been hindered by the diffraction-limited resolution of conventional light microscopy, which is insufficient to resolve the active zone architecture on the nanometer scale. Recently, super-resolution techniques entered the field of neuroscience, which yield the capacity to bridge the gap in resolution between light and electron microscopy without losing molecular specificity. Here, localization microscopy methods are of special interest, as they can potentially deliver quantitative information about molecular distributions, even giving absolute numbers of proteins present within cellular nanodomains. This thesis puts forward an approach based on conventional immunohistochemistry to quantify endogenous protein organizations in situ by employing direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Focussing on Bruchpilot (Brp) as a major component of Drosophila active zones, the results show that the cytomatrix at the active zone is composed of units, which comprise on average ~137 Brp molecules, most of which are arranged in approximately 15 heptameric clusters. To test for a quantitative relationship between active zone ultrastructure and synaptic output, Drosophila mutants and electrophysiology were employed. The findings indicate that the precise spatial arrangement of Brp reflects properties of short-term plasticity and distinguishes distinct mechanistic causes of synaptic depression. Moreover, functional diversification could be connected to a heretofore unrecognized ultrastructural gradient along a Drosophila motor neuron. / Kommunikation zwischen Nervenzellen ist von grundlegender Bedeutung für die Hirnfunktion. An chemischen Synapsen findet diese an hoch spezialisierten interzellulären Kontaktstellen statt, den aktiven Zonen, welche die Voraussetzung für präzise Neurotransmission schaffen und somit die synaptische Kommunikation gewährleisten. In aktiven Zonen befindet sich eine Vielzahl von Proteinen dicht gepackt, die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Plastizität der Signaltransduktion vermitteln. Bisher ist es jedoch unklar, in welcher Weise die molekularen Organisationsprinzipien dieser Proteine die Funktion der aktiven Zone beeinflussen. Teilweise ist dies dem Auflösungsvermögen konventioneller Lichtmikroskopie geschuldet, das nicht ausreicht um die Architektur der aktiven Zone im Nanometer Bereich aufzuklären. Unlängst jedoch haben neue Methoden der hochaufgelösten Fluoreszenzmikroskopie ihren Weg in die Neurowissenschaften gefunden. Diese sind in der Lage die Lücke zwischen optischer Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie zu schließen, ohne die Identität der Proteinspezies aus den Augen zu verlieren. Besonderes Interesse kommt hierbei sogenannten Lokalisationsmikroskopie Techniken zu. Diese können neben der Darstellung molekularer Organisationen im Idealfall sogar quantitative Informationen über die absolute Anzahl bestimmter Moleküle in subzellulären Bereichen liefern. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die auf klassischer Immunohistochemie beruht und dSTORM (direct stochastic optical reconstruction microscopy) nutzt, um die endogene Proteinorganisation in situ zu quantifizieren. Fokussierend auf Brp (Bruchpilot), einem Protein an der aktiven Zone von Drosophila melanogaster, zeigen die Ergebnisse, dass die Zytomatrix an der aktiven Zone modular aufgebaut ist, wobei jedes Modul ~137 Brp Moleküle umfasst. Diese sind zum Großteil in etwa 15 Gruppen mit je 7 Untereinheiten angeordnet. Um auf einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Ultrastruktur der aktiven Zone und ihrer Funktion zu schließen, wurden Drosophila Mutanten eingesetzt und mittels Elektrophysiologie funktionell untersucht. Die Ergebnisse veranschaulichen, dass sich spezifische Eigenschaften von Kurzzeitplastizität in der präzisen Anordnung von Brp widerspiegeln, was Rückschlüsse auf verschiedene Ursprünge synaptischer Depression zulässt. Darüber hinaus beschrieben dSTORM Experimente erstmals, dass ein funktioneller Gradient entlang des Motoneurons mit der graduellen Veränderung der Anzahl von Bruchpilotmolekülen pro aktive Zone korreliert.

Circadianes und Stress-System sind zwei physiologische Systeme, die dem Organismus helfen sich an Veränderungen ihrer Umwelt anzupassen. Während letzteres spontane und schnelle Antworten auf akute, unvorhersehbare Umweltreize liefert, sagt das circadiane System täglich wiederkehrende Ereignisse vorher and bereitet den Organismus so vorzeitig auf diese nahende Umweltveränderung vor. Dennoch, trotz dieser unterschiedlichen Reaktionsmechanismen agieren beide Systeme nicht komplett autonom. Studien der vergangen Jahre belegen vielmehr eine Interaktion beider Systeme. So postulieren sie zum einem Unterschiede in der Stressantwort in Abhängigkeit von der Tageszeit zu der der Reiz auftritt und weisen zugleich auf eine Zunahme von gestörten biologischen Tagesrhythmen, wie zum Beispiel Schlafstörungen, in Folge von unkontrollierten oder exzessiven Stress hin. Ebenso liefern kürzlich durchgeführte Studien an Vertebraten und Pilzen Hinweise, dass mit p38, eine Stress-aktivierte Kinase, an der Signalweiterleitung zur inneren Uhr beteiligt ist (Hayashi et al., 2003), sogar durch dieses endogene Zeitmesssystem reguliert wird (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) und deuten damit erstmals eine mögliche Verbindung zwischen Stress-induzierten und regulären rhythmischen Anpassungen des Organismus an Umweltveränderungen an. Molekulare und zelluläre Mechanismen dieser Verknüpfung sind bisher noch nicht bekannt. Während die Rolle von p38 MAPK bei der Stress- und Immunantwort in Drosophila melanogaster gut charakterisiert ist, wurden Expression und Funktion von p38 in der inneren Uhr hingegen bislang nicht untersucht. Die hier vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel mittels immunhistochemischer, verhaltensphysiologischer und molekularer Methoden eine mögliche Rolle der Stress-aktivierten Kinase im circadianen System der Fliege aufzudecken. Antikörperfärbungen sowie Studien mit Reporterlinien zeigen deutliche Färbesignale in den s-LNv, l-LNv und DN1a und erbringen erstmals einen Nachweis für p38 Expression in den Uhrneuronen der Fliege. Ebenso scheint die Aktivität von p38 MAPK in den DN1a uhrgesteuert zu sein. So liegt p38 vermehrt in seiner aktiven Form in der Dunkelphase vor und zeigt, neben seiner circadian regulierten Aktivierung, zusätzlich auch eine Inaktivierung durch Licht. 15-Minuten-Lichtpulse in der subjektiven Nacht führen zu einer signifikanten Reduktion von aktivierter, phosphorylierter p38 MAPK in den DN1a von Canton S Wildtypfliegen im Vergleich zu Fliegen ohne Lichtpuls-Behandlung. Aufzeichnungen der Lokomotoraktivität offenbaren zusätzlich die Notwendigkeit von p38 MAPK für wildtypisches Timing der Abendaktivität sowie zum Erhalt von 24-Stunden-Verhaltensrhythmen unter konstanten Dauerdunkel-Bedindungen. So zeigen Fliegen mit reduzierten p38 Level in Uhrneuronen einen verzögerten Beginn der Abendaktivität und stark verlängerte Freilaufperioden. In Übereinstimmung mit Effekten auf das Laufverhalten scheint darüber hinaus die Expression einer dominant-negativen Form von p38b in Drosophila’s wichtigsten Uhrneuronen eine verspätete nukleäre Translokation von Period zur Folge zu haben. Westernblots legen zusätzlich einen Einfluss von p38 auf den Phosphorylierungsgrad von Period nahe und liefern damit einen mögliche Erklärung für den verspäteten Kerneintritt des Uhrproteins. Abschließende Stützung der Westernblotergebnisse bringen in vitro Kinasenassays und deuten auf p38 als eine potentielle „Uhrkinase“ hin, welche auch in vivo Period an Serin 661 sowie weiteren potentiellen Phosphorylierungsstellen phosphorylieren könnte. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit eindeutig auf eine bedeutende Rolle von p38, neben dessen Funkion im Stress-System, auch im circadianen System der Fliege hin und offenbaren damit die Möglichkeit, dass p38 als Schnittstelle zwischen beider Systeme fungiert. / The circadian and the stress system are two distinct physiological systems that help the organism to adapt to environmental challenges. While the latter elicits reactive responses to acute environmental changes, the circadian system predicts daily occurring alterations and prepares the organism in advance. However, despite of these differences both responses are not mutually exclusive. Studies in the last years obviously prove a strong interaction between both systems showing a strong time-related stress response depending on the time of day of stressor presentation on the one hand and increased disturbances of daily rhythms, like sleep disorders, in consequence of uncontrolled or excessive stress on the other. In line with this fact, recent studies in vertebrates and fungi indicate that p38, a stress-activated Kinase, is involved in signaling to the circadian clock (Hayashi et al., 2003) and in turn is additionally regulated by this timekeeping system (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) providing an interesting link between stress-induced and regularly rhythmic adaptations of the organism to environmental changes. However, little is known about molecular and cellular mechanisms of this interconnection. In Drosophila melanogaster the role of p38 MAPK is well characterized in terms of immune and stress response, p38 expression and function in the circadian clock has not been reported so far. Therefore, the present thesis aimed to elucidate a putative role of the stress-activated Kinase in the fly’s circadian system using an immunohistochemical, behavioral as well as molecular approach. Surprisingly, for the first time antibody as well as reporterline studies cleary prove p38 expression in Drosophila clock neurons showing visible staining in s-LNvs, l-LNvs and DN1as. Moreover p38 MAPK in DN1as seems to be activated in a clock-dependent manner. p38 is most active under darkness and, besides its circadian activation, additionally gets inactivated by light. 15 minutes light pulse applied during the dark phase lead to a significant reduction in phosphorylated and activated p38 MAPK in Canton S wildtype flies compared to flies without light pulse treatment. In addition, locomotor activity recordings reveal that p38 is essential for a wild-type timing of evening activity and for maintaining ~24h behavioral rhythms under constant darkness. Flies with reduced p38 activity in clock neurons show delayed evening activity onsets and drastically lengthened the period of their free-running rhythms. In line with these effects on locomotor behavior, the nuclear translocation of the clock protein Period is significantly delayed on the expression of a dominant-negative form of p38b in Drosophila’s most important clock neurons. Western Blots reveal that p38 affects the phosphorylation degree of Period, what is likely the reason for its effects on nuclear entry of Period. In vitro kinase assays additionally confirm the Western Blot results and point to p38 as a potential “clock kinase” phosphorylating Period at Serin 661 and putative phosphorylation sites. Taken together, the results of the present thesis clearly indicate a prominent role of p38 in the circadian system of the fly besides its function in stress-input pathways und open up the possibility of p38 MAPK being a nodal point of both physiological systems.

Finding the right behavior at the right time is one of the major tasks of brains. In a natural scenery there is often an abundance of stimuli present and the brain has to separate the relevant from the irrelevant ones. Selective visual attention (SVA) is a property of higher visual systems that achieves this separation, as it allows to ‘[…] focus on one source of sensory input to the exclusion of others’ (Luck and Mangun, 1996). There are probably several forms of SVA depending upon the criteria used for the separation, such as salience, color, location in space, novelty, or motion. Many studies have investigated SVA in humans and non-human primates. However, complex functions like attention were initially not expected to be already implemented in the brains of simple organisms like Drosophila. After a first demonstration of selective attention in the fly (Wolf and Heisenberg, 1980), it took some time until other studies included attentional mechanisms in their argumentation to explain certain behaviors of Drosophila. However, their definition and characterization of attention differed and often was ambiguous. Here, one particular form, spatially selective visual attention in the fly Drosophila is investigated. It has been shown earlier that the fly spontaneously may restrict its behavioral responses in stationary flight to the visual stimuli on one side of the visual field. On the basis of experiments of Sareen et al., (2011) it has been conjectured that the fly has a focus of attention (FoA) and that the fly responds to the visual stimuli within this area of the visual field. Whether the FoA is the adequate concept for this spatial property of SVA in the fly needs to be further discussed and is a subject also of the present study. At this stage, the concept will be used in the description of the new results expanding the characterization of SVA. This study continued the investigation of SVA during tethered flight with variable but controlled visual input and an automated primary data evaluation. This standardized paradigm allowed for analysis of wild-type behavior as well as for a comparison of several mutant and pharmacologically manipulated strains to the wild-type. Some properties of human SVA like the occurrence of externally as well as internally caused shifts of attention were found in Drosophila and it could be shown, that SVA in the fly can be externally guided and has an attention span. Additionally, a neurotransmitter and proteins, which play a significant role in SVA were discovered. Based on this, the genetic tools available for Drosophila provided the means to a first examination of cells and circuits involved in SVA. Finally, the free walk behavior of flies that had been shown to have compromised SVA was characterized. The results suggested that the observed phenotypes of SVA were not behavior specific. Covert shifts of the FoA were investigated. The FoA can be externally guided by visual cues to one or the other side of the visual field and even after the cue has disappeared it remains there for <4s. An intriguing finding of this study is the fact, that the quality of the cue determines whether it is attractive or repellent. For example a cue can be changed from being repellent (negative) to being attractive (positive) by changing its oscillation amplitude from 4° to 2°. Testing the effectiveness of cues in the upper and lower visual field separately, revealed that the perception of a cue by the fly is not exclusively based on a sum of its specifications. Because positive cueing did not have an after-effect in each of the two half-fields alone, but did so if the cue was shown in both, the fly seems to evaluate the cue for each combination of parameters specifically. Whether this evaluation of the cue changed on a trial-to-trial basis or if the cue in some cases failed to shift the FoA can at this point not be determined. Looking at the responses of the fly to the displacement of a black vertical stripe showed that they can be categorized as no responses, syn-directional responses (following the direction of motion of the stripe) and anti-directional responses (in the opposite direction of the motion of the stripe). The yaw-torque patterns of the latter bared similarities with spontaneous body saccades and they most likely represented escape attempts of the fly. Syn-directional responses, however, were genuine object responses, distinguishable by a longer latency until they were elicited and a larger amplitude. These properties as well as the distribution of response polarities were not influenced by the presence or absence of a cue. When two stripes were displaced simultaneously in opposite directions the rate of no responses increased in comparison to the displacement of a single stripe. If one of the stripes was cued, both, the responses towards and away from the side of cue resembled the syn-directional responses. Significant progress was made with the elucidation of the neuronal underpinnings of SVA. Ablation of the mushroom bodies (MB) demonstrated their requirement for SVA. Furthermore, it was shown that dopamine signaling has to be balanced between too much and too little. Either inhibiting the synthesis of dopamine or its re-uptake at the synapse via the dDAT impaired the flies’ susceptibility to cueing. Using the Gal4/UAS system, cell specific expression or knockdown of the dDAT was used to scrutinize the role of MB sub-compartments in SVA. The αβ-lobes turned out to be necessary and sufficient to maintain SVA. The Gal4-line c708a labels only a subset of Kenyon cells (KC) within the αβ-lobes, αβposterior. These cells stand out, because of (A) the mesh-like arrangement of their fibers within the lobes and (B) the fact that unlike the other KCs they bypass the calyx and thereby the main source of olfactory input to the MBs, forming connections only in the posterior accessory calyx (Tanaka et al., 2008). This structure receives no or only marginal olfactory input, suggesting for it a role in tasks other than olfaction. This study shows their requirement in a visual task by demonstrating that they are necessary to uphold SVA. Restoring dDAT function in these approximately only 90 cells was probably insufficient to lower the dopamine concentration at the relevant synapses and hence a rescue failed. Alternatively, the processes mediating SVA at the αβ-lobes might require an interplay between all of their KCs. In conclusion, the results provide an initial point for future research to fully understand the localization of and circuitry required for SVA in the brain. In the experiments described so far, attention has been externally guided. However, flies are also able to internally shift their FoA without any cues from the outside world. In a set of 60 consecutive simultaneous displacements of two stripes, they were more likely to produce a response with the same polarity as the preceding one than a random polarity selection predicted. This suggested a dwelling of the FoA on one side of the visual field. Assuming that each response was influenced by the previous one in a way that the probability to repeat the response polarity was increased by a certain factor (dwelling factor, df), a random selection of response type including a df was computed. Implementation of the df removed the difference between observed probability of polarity repetition and the one suggested by random selection. When the interval between displacements was iteratively increased to 5s, no significant df could be detected anymore for pauses longer than 4s. In conclusion, Drosophila has an attention span of approximately 4s. Flies with a mutation in the radish gene expressed no after-effect of cueing and had a shortened attention span of about 1s. The dDAT inhibitor methylphenidate is able to rescue the first, but does not affect the latter phenotype. Probably, radish is differently involved in the two mechanisms. This study showed, that endogenous (covert) shifts of spatially selective visual attention in the fly Drosophila can be internally and externally guided. The variables determining the quality of a cue turned out to be multifaceted and a more systematic approach is needed for a better understanding of what property or feature of the cue changes the way it is evaluated by the fly. A first step has been made to demonstrate that SVA is a fundamental process and compromising it can influence the characteristics of other behaviors like walking. The existence of an attention span, the dependence of SVA on dopamine as well as the susceptibility to pharmacological manipulations, which in humans are used to treat respective diseases, point towards striking similarities between SVA in humans and Drosophila. / Eine der Hauptaufgaben eines Gehirns ist es, das richtige Verhalten zur richtigen Zeit zu finden. In einer natürlichen Umgebung gibt es eine Vielzahl visueller Reize, die das Gehirn unterteilen muss in solche, die irrelevant und solche, die bedeutsam sind. Selektive visuelle Aufmerksamkeit (SVA) ist eine Eigenschaft hoch entwickelter visueller Systeme, die diese Unterteilung erzielt, indem sie es erlaubt „[…] eine Quelle sensorischen Inputs zu fokussieren und dabei andere auszuschließen“ (Luck and Mangun, 1996). In Abhängigkeit der Kriterien (z.B. Salienz, Farbe, Lage im Raum, Neuartigkeit oder Bewegung), die für die Aufteilung herangezogen werden, existieren wahrscheinlich mehrere Formen von SVA. Viele Studien haben sich mit SVA in Menschen und in Primaten beschäftigt, ohne jedoch zu erwarten, dass eine komplexe Funktion wie Aufmerksamkeit bereits in den Gehirnen von einfachen Organismen wie Drosophila implementiert zu finden. Erst einige Zeit nachdem selektive Aufmerksamkeit ein erstes Mal in der Fliege gezeigt worden war (Wolf, Heisenberg, 1980) begannen auch andere Studien Aufmerksamkeit in ihrer Argumentation als Erklärung für bestimmte Verhaltensweisen von Drosophila heranzuziehen. Definition und Charakterisierung des Begriffes Aufmerksamkeit waren jedoch oft mehrdeutig und unterschieden sich von Studie zu Studie. In dieser Arbeit wird eine ganz bestimmte Form von Aufmerksamkeit – räumlich selektive visuelle Aufmerksamkeit - anhand der Fliege Drosophila untersucht. Es wurde bereits gezeigt, dass die Fliege im stationären Flug ihre Verhaltensantworten spontan auf visuelle Reize einer Seite des visuellen Feldes beschränken kann. Basierend auf Experimenten von Sareen et al. (2011) wurde vermutet, dass die Fliege einen Aufmerksamkeitsfokus (FoA) besitzt und auf Reize, die innerhalb dieses Teils des visuellen Feldes liegen antwortet. Ob der FoA ein angemessenes Konzept für diese räumliche Eigenschaft von SVA in der Fliege ist, steht zur Debatte und ist auch ein Thema dieser Studie. Vorerst soll dieses Konzept jedoch für die Beschreibung der Ergebnisse, die die Charakterisierung von SVA vorantreiben, genutzt werden. Die vorliegende Arbeit führt die Untersuchung von SVA mit variablem aber kontrolliertem visuellem Input im stationären Flug fort und nutzt dazu eine automatisierte Datenerfassung. Dieses standardisierte Paradigma ermöglicht eine Analyse von Verhalten im Wildtyp aber auch einen Vergleich mit verschiedenen mutanten und pharmakologisch manipulierten Fliegenstämmen. Einige im Menschen auftretende Eigenschaften von SVA wurden auch in Drosophila gefunden. Dazu zählt das Auftreten von extern und intern verursachten Aufmerksamkeitsverlagerungen. Es konnte gezeigt werden, dass SVA in der Fliege extern gelenkt werden kann und eine Aufmerksamkeitsspanne aufweist. Zusätzlich wurden ein Neurotransmitter und einige Proteine entdeckt, die eine wichtige Rolle in SVA einnehmen. Darauf basierend ermöglichten es die verfügbaren genetischen Werkzeuge mit einer ersten Untersuchung der an SVA beteiligten Zellen und Netzwerke zu beginnen. Des Weiteren wurde das Laufverhalten von Fliegen, die Einschränkungen in SVA aufwiesen charakterisiert. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die beobachteten Phänotypen von SVA nicht verhaltensspezifisch sind. Als nächstes wurden interne Bewegungen des Aufmerksamkeitskegels (FoA) betrachtet. Der FoA kann durch visuelle Reize von außerhalb zu der einen oder der anderen Seite des visuellen Feldes gelenkt werden. Er verweilt dort für >4s nachdem der lenkende Reiz verschwunden ist. Es ist ein spannender Befund dieser Arbeit, dass dieser Reiz in Abhängigkeit seiner Beschaffenheit abstoßend oder anziehend sein kann. So kann ein abstoßender (negativer) Reiz auf einmal anziehend (positiv) werden, wenn seine Oszillationsamplitude von 4° auf 2° reduziert wird. Eine Überprüfung der Wirksamkeit von Aufmerksamkeitslenkung durch Reize im oberen und unteren Teil des visuellen Feldes ergab, dass die Wahrnehmung eines Reizes durch die Fliege sich nicht ausschließlich aus der Summe seiner Spezifikationen ergibt. Da positive Aufmerksamkeitslenkung in keinem der beiden Halbfelder einen Nacheffekt hatte, ein solcher aber bei der Präsentation von Reizen in beiden Felder gleichzeitig auftrat, kann vermutet werden, dass die Fliege den Reiz für jede Kombination von Parametern spezifisch bewertet. Ob sich diese Bewertung in jedem einzelnen Durchgang änderte oder ob der Reiz in manchen Fällen den FoA nicht auf eine Seite lenkte kann mit dem jetzigen Kenntnisstand nicht bestimmt werden. Betrachtet man die Antworten der Fliege auf eine Versetzung eines schwarzen vertikalen Streifens, so zeigt sich eine mögliche Unterteilung in die Kategorien „keine Antwort“, „syn-direktionale Antwort“ (der Bewegungsrichtung des Streifens folgend) und „anti-direktionale Antwort“ (entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Streifens). Die Drehmomentmuster der letzteren Kategorie wiesen starke Ähnlichkeit zu spontanen Körpersakkaden auf und es handelte sich bei ihnen sehr wahrscheinlich um Fluchtversuche der Fliege. Syn-direktionale Antworten waren hingegen reine Objekt-Bewegungsantworten, erkennbar an einer längeren Latenz bis zu ihrer Auslösung und einer größeren Amplitude. Diese Eigenschaften und auch die Verteilung der Antworten auf die beiden Kategorien wurden durch die An- oder Abwesenheit eines vorhergehenden Reizes nicht beeinflusst. Wurden zwei Streifen gleichzeitig gegenläufig versetzt, so blieben die Antworten im Vergleich zur Versetzung eines einzelnen Streifens häufiger aus. Wurde der FoA zuvor auf eine Seite gelenkt, so entsprachen die Drehmomentmuster der Antworten auf diese Seite und auch die der Antworten auf die andere Seite denen der syn-direktionalen Antworten. Die Aufklärung der SVA zu Grunde liegenden neuronalen Strukturen konnte bedeutend vorangetrieben werden. Eine Ablation der Pilzkörper (MB) zeigte, dass diese für SVA benötigt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die von Dopamin übermittelte Signalstärke weder zu stark, noch zu schwach sein darf. Wurde die Synthese von Dopamin inhibiert oder seine Wiederaufnahme aus dem synaptischen Spalt mittels dDAT blockiert, führte dies dazu, dass die Aufmerksamkeit dieser Fliegen nicht mehr extern gelenkt werden konnte. Mithilfe des Gal4/UAS-Systems und zellspezifischer Expression oder Unterdrückung der Bildung von dDAT wurde die Rolle einzelner Strukturen der Pilzkörper in SVA genauer untersucht. Es zeigte sich, dass die αβ-Loben sowohl ausreichend als auch notwendig sind, um SVA nachhaltig zu lenken. Die Gal4-Linie c708a markiert einen Teil der Kenyonzellen (KC) innerhalb der αβ-Loben, αβposterior. Diese Zellen sind besonders, da (A) ihre Fasern innerhalb der Loben eine netzartige Anordnung aufweisen und (B) da sie anders als die anderen KCs nicht mit der Kalyx, der größten Quelle olfaktorischen Inputs in die MBs, verknüpft sind, sondern nur in der posterioren akzessorischen Kalyx Verbindungen ausbilden (Tanaka et al., 2008). Diese Struktur erhält keinen oder zumindest nur marginalen olfaktorischen Input und es ist anzunehmen, dass sie eher an Aufgaben aus anderen sensorischen Modalitäten beteiligt ist. In dieser Arbeit wird die Beteiligung dieser Zellen an einem visuellen Task gezeigt, genauer ihre Notwendigkeit für einen Nacheffekt der Lenkung von SVA. Eine Wiederherstellung der Funktion von dDAT in diesen ca. 90 Zellen war erfolglos, da die geringe Anzahl möglicherweise nicht ausreichte, um die Konzentration von Dopamin an den relevanten Synapsen zu senken. Es ist jedoch auch möglich, dass die Prozesse, die SVA über die αβ-Loben vermitteln ein Zusammenspiel aller dortigen KCs erfordern. Zusammen bilden die gesammelten Ergebnisse einen Ausgangspunkt für zukünftige Bestrebungen, die für SVA erforderlichen neuronalen Strukturen und deren Verortung komplett zu verstehen. In den bisher beschriebenen Experimenten wurde die Aufmerksamkeit extern gelenkt. Fliegen können ihren FoA aber auch ganz ohne äußerliche Reize intern verlagern. In einer Reihe von 60 aufeinanderfolgenden gleichzeitigen Versetzungen zweier Streifen zeigte sich, dass die Fliegen häufiger Antworten mit der gleichen Polarität wie die vorausgegangene produzierten, als dies eine zufällige Auswahl der Polarität vorhersagte. Dies ließ vermuten, dass der FoA auf einer Seite des visuellen Feldes verweilt. Es wurde angenommen, dass jede Antwort von der vorhergehenden beeinflusst wird, sodass die Wahrscheinlichkeit die Polarität dieser Antwort zu wiederholen um einen gewissen Faktor erhöht wird (dwelling factor, df). Deswegen wurde eine zufällige Verteilung der Antwortpolaritäten unter Berücksichtigung des df berechnet. Dadurch verschwand der Unterschied zwischen der beobachteten Wiederholungswahrscheinlichkeit einer Antwortpolarität und derer einer rein zufälligen Wahl der Antwort. Als das Intervall zwischen den einzelnen Versetzungen schrittweise auf 5s erhöht wurde, konnte bereits bei Pausen über 4s kein signifikanter df mehr festgestellt werden. Als Schlussfolgerung ergibt sich, dass Drosophila eine Aufmerksamkeitsspanne von etwa 4s besitzt. Fliegen mit einer Mutation im radish Gen zeigten keine anhaltende Lenkung von SVA und hatten zudem eine verkürzte Aufmerksamkeitsspanne von ungefähr 1s. Der dDAT-Inhibitor Methylphenidat beseitigte den zuerst erwähnten Phänotyp, verlängerte jedoch nicht die Aufmerksamkeitsspanne. Es ist anzunehmen, dass radish auf unterschiedliche Art und Weise an beiden Mechanismen beteiligt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde gezeigt, dass endogene (covert) Verlagerungen von räumlich selektiver visueller Aufmerksamkeit in der Fliege Drosophila intern und extern gelenkt werden können. Vielfältige Variablen bestimmen die Beschaffenheit eines Reizes. Es bedarf eines systematischeren Ansatzes, um die Eigenschaften eines Reizes genauer zu verstehen, die dessen Wahrnehmung durch die Fliege verändern. Es konnte bereits grundlegend gezeigt werden, dass SVA ein fundamentaler Prozess ist, dessen Fehlfunktion auch die Eigenschaften anderer Verhaltensweisen wie z.B. Laufen beeinflusst. Die Existenz einer Aufmerksamkeitsspanne, die Abhängigkeit von SVA von Dopamin sowie deren Zugänglichkeit für pharmakologische Manipulationen, deren Nutzen für den Menschen in der Behandlung aufmerksamkeitsbezogener Erkrankungen liegt, deuten auf starke Ähnlichkeiten zwischen SVA in Menschen und in Drosophila hin.

In order to select the appropriate behavior, it is important to choose the right behavior at the right time out of many options. It still remains unclear nowadays how exactly this is managed. To address this question, I expose flies (Drosophila melanogaster) to uncontrollable stress to study their behavior under restrictive circumstances by using the so-called shock box. Exposing animals to uncontrollable stress may have an impact on subsequent behavior and can last for some time. The animal learns that whatever it does, it cannot change the situation and therefore can develop something called learned helplessness. The term was first conceptualized by two American psychologists Maier and Seligman (1967), who discovered this phenomenon while doing experiments with dogs. They found out that dogs which are exposed to inescapable stress, later fail in a learning task (‘shuttle box’). In this work the walking patterns of three different types of experimental flies, walking in a small dark chamber, were evaluated. Using the triadic design (Seligman and Maier, 1967), flies were either exposed to electric shock randomly (yoked), could turn it off by being active (master) or did not receive punishment at all (control). Master flies were shocked whenever they sat for more than 0.9 seconds. At the same time yoked flies received a shock as well independent of what they were doing, to ensure the same amount of shocks received and to create random punishment pattern for the yoked group. With this so-called no-idleness paradigm flies were conditioned either 10 minutes, which resulted in a short (3 minutes) after-effect, or 20 minutes that turned out to be more stable (10 minutes). In a second part, the behavior during the 20 minute conditioning and a 10 minutes post-test was described in detail. Female flies of the yoked group developed lower activity levels, longer pauses and walked more slowly than master and control flies during conditioning. In the time after the shocks while still in the box, the yoked flies also reduced the frequency and duration of walking bouts as well as their walking speed. Additionally, they took more time to resume walking after the onset of an electric shock than master flies (escape latency) and turned out to make less pauses lasting between 1-1.5 seconds which supports the finding concerning the escape latency. Male flies, tested under the same conditions, showed a slightly weaker after-effect regarding the difference between master and yoked during conditioning and post-test when compared to female flies. When comparing the 20 minutes conditioning with subsequent 10 minutes test in the heat and the shock box in parallel, one finds the same effect: Flies which do not have control over the shocks, lower their activity, make less but longer pauses and walk more slowly than their respective master flies. Despite the similar effect of heat and shock on the flies, some differences between the devices occurred, which can partly be explained by different humidity conditions as well as by different surfaces within the chambers. When the control over the shocks is given back to the yoked flies, it takes them about seven minutes to realize it. One could also show that dopamine levels in the brain were reduced in comparison to flies which did not receive shocks. Yoked flies also were impaired in a place learning task (place learning) and their reaction to light (exit from the box towards the light) directly after conditioning. After characterizing the walking behavior in the chambers, the study deals with the question whether the effects observed in the chambers transfer to different environments. In free walk they only differed from flies which did not receive electric shocks and no effect of uncontrollability was transferred to courtship behavior. Handling as the cause could be excluded. Since handling could be exclude to be the cause of losing the effect, I assumed that the behavior shown in the boxes are context depend. Not only were the after-effects of inescapable shock subject of the current research also the impact of the rearing situation on the response to electric shock was investigated in the present study. Flies which grew up in a single-reared situation turned out to be less affected by inescapable stress in both sexes. In the next part, the first steps to unravel the neuronal underpinning were taken. A mutant – fumin – which is defective in the dopamine re-uptake transporter showed less reaction to inescapable foot shocks, while a mutant for the gene which encodes an adenylate cyclase (rutabaga2080) resulted in a good score during conditioning, but showed no stable after-effect. Downregulating the expression of the adenylate cyclase gene (rutabaga) in different parts of the mushroom bodies showed, that rutabaga is necessary in the α’β’-lobes for expressing the differences between master and yoked flies in the no-idleness paradigm. The study further confirmed previous findings, that rutabaga is needed in operant but not in classical conditioning. As a result, the study could show that not the stimulus itself causes the state of uncontrollability but the fact that the fly learned that it was not in control of the stimulus. This state turned out to be context and time dependent. / Eine wichtige Aufgabe für ein Tier ist es, das passende Verhalten zur richtigen Zeit zu wählen. Heutzutage ist immer noch unklar, wie dieser Prozess exakt abläuft. Zur Untersuchung dieser Frage werden Fliegen (Drosophila melanogaster) in der so genannten Schockbox unkontrollierbarem Stress ausgesetzt um auf diesem Weg Verhaltenskontrolle unter stressigen und stark restriktiven Umständen untersuchen zu können. Wenn Tiere unkontrollierbarem Stress ausgesetzt sind, kann dieser Zustand sowohl langanhaltend sein als auch Einfluss auf das Folgeverhalten haben. Das Tier lernt, dass alle Aktivitäten, die es in dieser Situation unternimmt keinen Einfluss auf die Situation haben. Dadurch kann das Tier einen Zustand der sogenannten Erlernten Hilflosigkeit entwickeln. Dieser Begriff wurde von zwei amerikanischen Psychologen, Maier und Seligman (1976), geprägt, die dieses Phänomen während Experimenten mit Hunden entdeckten und konzipierten. Sie fanden heraus, dass Hunde, die unkontrollierbarem Stress ausgesetzt waren, an einer anschließend gestellten Lernaufgabe scheiterten (‚shuttle-box‘). Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, das Laufmuster in einer schmalen und kleinen Kammer an drei verschiedenen Versuchsgruppen von Fliegen zu analysieren. Unter Verwendung des sogenannten triadischen Konzepts (Seligman and Maier, 1967) wurden die Fliegen drei unterschiedlichen Situationen ausgesetzt: Zufällige Elektroschocks (Yoked-Gruppe), durch Laufen abschaltbare Elektroschocks (Master-Gruppe) oder keine Bestrafung (Kontroll-Gruppe). Master-Fliegen wurden immer dann geschockt, wenn sie für länger als 0,9 Sekunden saßen. Unabhängig ihres Verhaltens erhielten die Yoked-Fliegen zeitgleich einen Schock um einen zufälligen Bestrafungsreiz zu generieren. Mit diesem so genannten ‚no-idleness‘ (nicht ruhen dürfen) Paradigma wurden die Fliegen entweder zehn Minuten oder 20 Minuten konditioniert. Während eine zehnminütige Konditionierung zu einem kurzen Nacheffekt führte (Nacheffekt von drei Minuten), stellte sich die zwanzigminütige Konditionierung als nachhaltiger heraus (Nacheffekt von zehn Minuten). In einem zweiten Teil der Arbeit wurde das Verhalten der Fliegen sowohl während der zwanzig Minuten andauernden Konditionierung also auch im nachfolgenden zehnminütigen Test im Detail beschrieben. Während der zwanzigminütigen Konditionierung zeigten weibliche Yoked-Fliegen eine geringere Aktivität, saßen länger und liefen langsamer als Master- oder Kontroll-Fliegen. In der Zeit nach den Schocks, zeigten sie immer noch eine verminderte Lauffrequenz sowie kürzere und langsamere Laufphasen. Zusätzlich benötigten sie länger um nach dem Einsetzten eines Elektroschocks loszulaufen (Flucht-Latenzzeit) und machten weniger Kurzpausen die zwischen 1 bis 1,5 Sekunden lang waren. Dies unterstützt das Ergebnis der verlängerten Flucht-Latenzzeit. Männchen, die unter gleichen Bedingungen getestet wurden, wiesen im Vergleich zu weiblichen Fliegen eine leicht abgeschwächte Reaktion bezüglich des Master-Yoked-Unterschieds auf. Wenn die Konditionierung mit dem anschließenden Test in der Schock- und der Hitzekammer gleichzeitig durchgeführt wurde, resultierte dies in vergleichbaren Ergebnissen: Fliegen, die keine Kontrolle über den Reiz haben, vermindern ihr Aktivitätslevel, sitzen seltener aber länger und laufen langsamer als die dazugehörigen Master-Fliegen. Neben der Tatsache, dass ein ähnlicher Effekt auftritt, weisen die Apparaturen dennoch kleine Unterschiede auf. Diese können zu Teilen mit den unterschiedlichen Luftfeuchtigkeitsniveaus als auch durch die Verschiedenheit der Laufoberfläche der jeweiligen Kammern erklärt werden. Wird den Fliegen die Kontrolle über die Schocks zurückgegeben, benötigen sie etwa sieben Minuten um dies zu erkennen. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Dopaminkonzentration in den Köpfen, im Vergleich zu Tieren die keine Schocks erhalten haben, vermindert war. Yoked-Fliegen wiesen außerdem unmittelbar nach der Konditionierung Defekte im Ortslernen und in ihrer positiven Reaktion auf Licht auf. Nachdem das Laufverhalten innerhalb der Kammern ausführlich charakterisiert wurde, geht diese Studie darauf ein, ob die Effekte, die in den Kammern gemessen wurden, auch in anderen Umgebungen zu beobachten sind. Im freien Lauf unterschieden sie sich lediglich von Fliegen, die keine Schocks erhalten hatten und es sind keine Auswirkungen durch Kontrollverlust im Paarungsverhalten festzustellen. Da die Handhabung der Tiere als Grund für den Verlust des Nacheffektes ausgeschlossen werden konnte, lässt sich schlussfolgern, dass das Verhalten das in den Kammern gemessen wurde, kontextabhängig ist. Zusätzlich zur Untersuchung der Auswirkungen unausweichlichen Stresses, wurde der Einfluss, der Aufzuchtbedingungen auf die Stress-Antwort in der vorliegenden Studie untersucht. Fliegen, die einzeln aufgezogen wurden, weisen bei beiden Geschlechtern eine verminderte Antwort auf Stress auf. Im darauffolgenden Abschnitt wurden erste Schritte unternommen, um die neuronalen Grundlagen der Erlernten Hilflosigkeit zu untersuchen. Eine Mutante – fumin – die ein defektes Wiederaufnahmetransporter-Gen für Dopamin besitzt, wies eine verminderte Stressantwort auf. Während eine Mutante des Adenylatzyklasegens (rutabaga2080) normale Ergebnisse während der Konditionierung aufzeigten, war im Post-test kein signifikanter Nacheffekt messbar. Das Herunterregulieren des Adenylatcyclasengens (rutabaga), in verschiedenen Teilen der Pilzkörper, zeigte dass die Expression von rutabaga in den α’β’-Loben für die Entwicklung der Erlernten Hilflosigkeit im no-idleness Paradigma benötigt wird. Zudem konnten vorangegangene Studien bestätigt werden, die rutabaga eine Rolle im operanten Lernen jedoch nicht im klassischen Lernen zuordnen. Als Fazit zeigt die Studie, dass nicht der Stressor selbst, sondern die Unkontrollierbarkeit des Stressors der Grund für die Entwicklung der Erlernten Hilflosigkeit darstellt und das Phänomen, innerhalb der hier gewählten Zeitspanne (20 Minuten Stress), kontextabhängig zu sein scheint.

Endogenous clocks help animals to anticipate the daily environmental changes. These internal clocks rely on environmental cues, called Zeitgeber, for synchronization. The molecular clock consists of transcription-translation feedback loops and is located in about 150 neurons (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich-Förster, 2005). The core clock has the proteins Clock (CLK) and Cycle (CYC) that together act as a transcription activator for period (per) and timeless (tim) which then, via PER and TIM block their own transcription by inhibiting CLK/CYC activity (Darlington et al., 1998; Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008). Light signals trigger the degradation of TIM through a blue-light sensing protein Cryptochrome (CRY) and thus, allows CLK/CYC to resume per and tim transcription (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998). Therefore, light acts as an important Zeitgeber for the clock entrainment. The mammalian clock consists of similarly intertwined feedback loops. Endogenous clocks facilitate appropriate alterations in a variety of behaviors according to the time of day. Also, these clocks can provide the phase information to the memory centers of the brain to form the time of day related associations (TOD). TOD memories promote appropriate usage of resources and concurrently better the survival success of an animal. For instance, animals can form time-place associations related to the availability of a biologically significant stimulus like food or mate. Such memories will help the animal to obtain resources at different locations at the appropriate time of day. The significance of these memories is supported by the fact that many organisms including bees, ants, rats and mice demonstrate time-place learning (Biebach et al. 1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Previous studies have shown that TOD related memories rely on an internal clock, but the identity of the clock and the underlying mechanism remain less well understood. The present study demonstrates that flies can also form TOD associated odor memories and further seeks to identify the appropriate mechanism. Hungry flies were trained in the morning to associate odor A with the sucrose reward and subsequently were exposed to odor B without reward. The same flies were exposed in the afternoon to odor B with and odor A without reward. Two cycles of the 65 reversal training on two subsequent days resulted in the significant retrieval of specific odor memories in the morning and afternoon tests. Therefore, flies were able to modulate their odor preference according to the time of day. In contrast, flies trained in a non-reversal manner were unable to form TOD related memories. The study also demonstrates that flies are only able to form time-odor memories when the two reciprocal training cycles occur at a minimum 6 h interval. This work also highlights the role of the internal state of flies in establishing timeodor memories. Prolonged starvation motivates flies to appropriate their search for the food. It increases the cost associated with a wrong choice in the T-maze test as it precludes the food discovery. Accordingly, an extended starvation promotes the TOD related changes in the odor preference in flies already with a single cycle of reversal training. Intriguingly, prolonged starvation is required for the time-odor memory acquisition but is dispensable during the memory retrieval. Endogenous oscillators promote time-odor associations in flies. Flies in constant darkness have functional rhythms and can form time-odor memories. In contrast, flies kept in constant light become arrhythmic and demonstrated no change in their odor preference through the day. Also, clock mutant flies per01 and clkAR, show compromised performance compared to CS flies when trained in the time-odor conditioning assay. These results suggest that flies need a per and clk dependent oscillator for establishing TOD related memories. Also, the clock governed rhythms are necessary for the timeodor memory acquisition but not for the retrieval. Pigment-Dispersing Factor (PDF) neuropeptide is a clock output factor (Park and Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster, 2009). pdf01 mutant flies are unable to form significant time-odor memories. PDF is released by 8 neurons per hemisphere in the fly brain. This cluster includes the small (s-LNvs) and large (l-LNvs) ventral lateral neurons. Restoring PDF in these 16 neurons in the pdf01 mutant background rescues the time-odor learning defect. The PDF neuropeptide activates a seven transmembrane G-protein coupled receptor (PDFR) which is broadly expressed in the fly brain (Hyun et al., 2005). The present study shows that the expression of PDFR in about 10 dorsal neurons (DN1p) is sufficient for robust time-odor associations in flies. 66 In conclusion, flies use distinct endogenous oscillators to acquire and retrieve time-odor memories. The first oscillator is light dependent and likely signals through the PDF neuropeptide to promote the usage of the time as an associative cue during appetitive conditioning. In contrast, the second clock is light independent and specifically signals the time information for the memory retrieval. The identity of this clock and the underlying mechanism are open to investigation. / Die endogenen circadianen Uhren helfen Tieren, die täglichen Veränderungen der Umwelt zu antizipieren. Diese internen Uhren stützen sich auf externe Umweltreize, sogenannte Zeitgeber, die den Tagesrhythmus vorgeben. Im Fliegengehirn bilden etwa 150 Neuronen die zentrale innere Uhr (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich- Förster, 2005). Diese Neuronen exprimieren die molekulare Uhr, die aus Transkriptions- Translations-Feedback-Schleifen besteht. Die Uhr besitzt die Proteine Clock (CLK) und Cycle (CYC), die zusammen die Transkription von period (per) und timeless (tim) aktivieren. PER und TIM bilden dann ein Heterodimer um die Transkription von clk und cyc zu blockieren (Darlington et al., 1998; Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008). Lichtsignale lösen den Abbau von TIM durch das für blaues Licht sensitive‚ 'Sensing Protein Cryptochrome‘ (CRY) aus, daß wiederum CLK und CYC freisetzt um die per und tim Transkription wieder aufzunehmen (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998). Daher wirkt Licht als wichtiger Zeitgeber. Die innere Uhr der Säuger besteht aus ähnlich miteinander verflochtenen Rückkopplungsschleifen. Die internen Uhren ermöglichen und erleichtern Verhaltensveränderungen in einer Vielzahl von Situation, entsprechend der Tageszeit. Zudem wird die Information den jeweiligen Speicherorten im Gehirn bereit gestellt, um zeitbezogene Gedächtnisbildung zu ermöglichen. Zeitabhängige Gedächtnisbildung sorgt für eine angemessene Nutzung der Ressourcen und sichert gleichzeitig das Überleben des Tieres. Zum Beispiel können Tiere Zeit-Ort-Assoziationen im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit einer biologisch wichtigen Ressource, wie Nahrung oder Paarungspartnern bilden. Solche Assoziationen helfen dem Tier Ressourcen an verschiedenen Orten, abhängig von der Tageszeit, zu erschließen. Die Wichtigkeit dieser Fähigkeit wird durch die Tatsache gestützt, daß zum Beispiel Bienen, Ameisen, Ratten und Mäuse ein zeitlich abhängiges Ortgedächtnis bilden können (Biebach et al. 1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Frühere Studien haben gezeigt, daß zeitbezogene Erinnerungen auf einer internen Uhr beruhen. Die genaue Identität dieser Uhr und die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch nicht ausreichend bekannt. In der vorliegenden Studie wird gezeigt, daß Fliegen in der Lage sind ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Zudem wird versucht die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu identifizieren. Hungrige Fliegen werden zu verschiedenen Tageszeiten konditioniert verschiedene Gerüche mit einer Saccharose-Belohnung zu assoziieren. Morgens ist Geruch A mit Zucker gepaart während Geruch B ohne Zucker präsentiert wird, am Nachmittag ist Geruch B belohnt, Geruch A nicht. Dieses reziproke Training wird an zwei aufeinander folgenden Tagen durchgeführt. Am dritten Tag werden die Fliegen entweder am Morgen oder Nachmittag auf ihre Geruchspräferenz zwischen A und B getestet. Die Fliegen modulieren ihre Geruchspräferenz abhängig von der Tageszeit. Im Gegensatz dazu sind Fliegen, die nicht mittels eines reziproken Trainings konditioniert wurden, nicht in der Lage, ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Die Ergebnisse zeigen auch, daß Fliegen nur dann in der Lage sind zeitbezogene Erinnerungen zu bilden, wenn die beiden reziproken Trainingszyklen mindestens 6 h voneinander getrennt durchgeführt werden. Die Arbeit ebeleuchtet zudem die Rolle des internen Zustands der Fliegen im Kontext des zeitabhängigen olfaktorischen Gedächtnisses. Länger andauernder Hunger motiviert die Fliegen stärker ihre Suche nach Nahrung zeitlich anzupassen. Schon ein Zyklus reziproken Trainings reicht für die Bildung Zeit-spezifischen Geruchsgedächtnisses aus. Die Erhöhung der Kosten, die mit einer falschen Wahl in einem T-maze-Test verbunden ist, kann offenbar zeitabhängige Änderungen der Geruchspräferenzen in Fliegen begünstigen. Erstaunlicherweise begünstigt der Hunger speziell die Gedächtnisbildung, ist jedoch für den Test nicht erforderlich. Endogene circadiane Oszillatoren werden für das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis der Fliegen gebraucht. Fliegen, die im Dauerdunkel gehalten wurden, zeigen rhythmisches Verhalten so wie zeitbezogenes olfaktorisches Gedächtnis. Im Gegensatz dazu sind im Dauerlicht aufgezogene Fliegen arrhythmisch und zeigen kein Zeit-spezifisches Geruchsgedächtnis. Zudem sind auch die arrhythmischen Mutanten per01 und clkAR in der Zeit-Geruchskonditionierung gestört. Diese Ergebnisse legen nahe, daß Fliegen einen per- und clk-abhängigen Oszillator benötigen, der von externen Lichtsignalen abhängig ist, um ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Außerdem wird der durch die innere Uhr vorgegebene Rhythmus nur während der Gedächtnisbildung und nicht für das Abrufen des Gelernten benötigt. Pigment dispersing factor (PDF) ist ein Neuropeptid, das von Neuronen der inneren Uhr gebildet wird (Park and Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster, 2009). Die pdf01-Mutante ist nicht in der Lage ein signifikantes zeitbezogenes olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. PDF wird von jeweils einer Gruppe von 8 Neuronen pro Hemisphäre, die die kleinen und großen ventral-lateralen Neuronen umfaßt, sezerniert. Die Wiederherstellung der Expression von PDF in diesen 16 Neuronen im pdf01 Mutanten Hintergrund, rettet das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis. Das PDF-Neuropeptid aktiviert einen sieben-Transmembran-G-Protein- gekoppelten Rezeptor (PDFR), der weit verbreitet im Fliegenhirn exprimiert wird (Hyun et al., 2005). Diese Studie zeigt, daß die Expression von PDFR in ~ 10 dorsalen Neuronen (DN1p) für eine robuste zeitabhängige olfaktorische Gedächtnisbildung in Fliegen ausreicht. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Fliegen verschiedene endogene Oszillatoren benutzen um ein zeitabhängiges olfaktorische Gedächtnis zu bilden und abzurufen. Der erste Oszillator ist lichtabhängig und wahrscheinlich durch das PDF- Neuropeptid vermittelt. Es ermöglicht die Verwendung der Information 'Zeit' als assoziatives Signal während der appetitiven Konditionierung. Im Gegensatz dazu ist die zweite Uhr lichtunabhängig und vermittelt speziell die Zeitinformation für die Gedächtnisabfrage. Die Identität der zweiten Uhr und der zugrunde liegende Mechanismus sowie die zugrunde liegende Kommunikation zwischen den Neuronen, bedarf weiterer Untersuchungen.

In Drosophila larvae and adults, chordotonal organs (chos) are highly versatile mechanosensors that are essential for proprioception, touch sensation and hearing. Chos share molecular, anatomical and functional properties with the inner ear hair cells of mammals. These multiple similarities make chos powerful models for the molecular study of mechanosensation. In the present study, I have developed a preparation to directly record from the sensory neurons of larval chos (from the lateral chos or lch5) and managed to correlate defined mechanical inputs with the corresponding electrical outputs. The findings of this setup are described in several case studies. (1) The basal functional lch5 parameters, including the time course of response during continuous mechanical stimulation and the recovery time between successive bouts of stimulation, was characterized. (2) The calcium-independent receptor of α-latrotoxin (dCIRL/Latrophilin), an Adhesion class G protein-coupled receptor (aGPCR), is identified as a modulator of the mechanical signals perceived by lch5 neurons. The results indicate that dCIRL/Latrophilin is required for the perception of external and internal mechanical stimuli and shapes the sensitivity of neuronal mechanosensation. (3) By combining this setup with optogenetics, I have confirmed that dCIRL modulates lch5 neuronal activity at the level of their receptor current (sensory encoding) rather than their ability to generate action potentials. (4) dCIRL´s structural properties (e.g. ectodomain length) are essential for the mechanosensitive properties of chordotonal neurons. (5) The versatility of chos also provides an opportunity to study multimodalities at multiple levels. In this context, I performed an experiment to directly record neuronal activities at different temperatures. The results show that both spontaneous and mechanically evoked activity increase in proportion to temperature, suggesting that dCIRL is not required for thermosensation in chos. These findings, from the development of an assay of sound/vibration sensation, to neuronal signal processing, to molecular aspects of mechanosensory transduction, have provided the first insights into the mechanosensitivity of dCIRL. In addition to the functional screening of peripheral sensory neurons, another electrophysiological approach was applied in the central nervous system: dCIRL may impact the excitability of the motor neurons in the ventral nerve cord (VNC). In the second part of my work, whole-cell patch clamp recordings of motor neuron somata demonstrated that action potential firing in the dCirl\(^K\)\(^O\) did not differ from control samples, indicating comparable membrane excitability. / In Drosophila Larven, sowie in adulten Tieren, sind die Chordotonalorgane (Chos) sehr vielseitige Mechanosensoren und von wesentlicher Bedeutung für die Propriozeption, das Tastgefühl und die auditive Wahrnehmung. Chos teilen molekulare, anatomische und funktionelle Eigenschaften mit Innenohrhaarzellen der Säugetiere und machen sie somit zu leistungsstarken Modellen um molekulare Mechanismen der Mechanosensorik zu untersuchen. In der vorliegenden Studie habe ich ein Präparat entwickelt, um direkt von sensorischen Neuronen der larvalen Chos (von lateralen Chos oder lch5) abzuleiten und definierte mechanische Eingänge mit den korrelierenden elektrischen Ausgängen zu verbinden. Im Folgenden sind die Ergebnisse dieses experimentellen Setups zusammengefasst. (1) Die basalen funktionellen Parameter von lch5 insbesondere der Zeitverlauf der Reaktion während kontinuierlicher mechanischer Stimulation und die Erholungszeit zwischen aufeinanderfolgenden Stimulationen wurden bestimmt. (2) Der Calcium-unabhängige Rezeptor von α-Latrotoxin (dCIRL/Latrophilin), ein Adhäsion Klasse G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) wurde als Modulator der von Ich5 Neuronen perzipierten mechanischen Signale identifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass dCIRL/Latrophilin für die Wahrnehmung der externen und internen mechanischen Reize erforderlich ist und die Empfindlichkeit neuronaler Mechanosensorik modelliert. (3) Mit Hilfe optogenetischer Werkzeuge konnte ich bestätigen, dass dCIRL die Aktivität von lch5 Neuronen auf Ebene des Rezeptorstroms (sensorische Kodierung) und nicht der Generierung von Aktionspotentialen moduliert. (4) Die strukturellen Eigenschaften von dCIRL (z.B. Ektodomänenlänge) sind wesentlich für die mechanosensitiven Eigenschaften von Chos. (5) Die Vielseitigkeit der Chos bietet des Weiteren die Möglichkeit, Multimodalitäten auf mehreren Ebenen zu untersuchen. In diesem Zusammenhang wurde die neuronale Aktivität der Chos bei verschiedenen Temperaturen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich sowohl spontane als auch mechanisch evozierte Aktivität im Verhältnis zur Temperatur erhöhen, was darauf hindeutet, dass dCIRL keine Rolle in der Temperaturwahrnehmung spielt. Diese Erkenntnisse, von der Entwicklung des Präparats der Ton/Vibrations Wahrnehmung, über die neuronalen Signalverarbeitung bis hin zu molekularen Aspekten der Mechanotransduktion, haben erste Einblicke in die Mechanosensitivität von dCIRL gewährt. Neben der funktionellen Charakterisierung peripherer sensorischer Neurone wurde ein weiterer elektrophysiologischer Ansatz im larvalen Zentralnervensystem gewählt, um zu untersuchen, ob sich dCIRL auf die Erregbarkeit motorischer Nervenzellen im Strickleiternervensystem (VNC) auswirkt. Im zweiten Teil meiner Arbeit wird mit Hilfe des whole-cell-patch-clamp-Verfahrens gezeigt, dass die Aktionspotentialfrequenz in Motoneuronen von dCirl\(^K\)\(^O\) Mutanten ähnlich derer von Kontrolltieren ist, d.h. ihre Membranerregbarkeit ist vergleichbar.

Neuropeptides and peptide hormones carrying neural or physiological information are intercellular signalling substances. They control most if not all biological processes in vertebrates and invertebrates by acting on specific receptors on the target cell. In mammals, many different neuropeptides and peptide hormones are involved in the regulation of feeding and sleep. In \textit{Drosophila}, allatostatin A (AstA) and myoinhibitory peptides (MIPs) are brain-gut peptides. The AstA receptors are homologues of the mammalian galanin receptors and the amino acid sequences of MIPs are similar to a part of galanin, which has an orexigenic effect and is implicated in the control of sleep behaviour in mammals. I am interested in dissecting pleiotropic functions of AstA and MIPs in the regulation of food intake and sleep in \textit{Drosophila}. \par In the first part of the dissertation the roles of brain-gut peptide allatostatin A are analysed. Due to the genetic and molecular tools available, the fruit fly \textit{Drosophila melanogaster} is chosen to investigate functions of AstA. The aims in this part are to identify pleiotropic functions of AstA and assign specific effects to the activity of certain subsets of AstA expressing cells in \textit{Drosophila} adults. A new and restricted \textit{AstA\textsuperscript{34}-Gal4} line was generated. The confocal imaging result showed that AstA neurons are located in the posterior lateral protocerebrum (PLP), the gnathal ganglia (GNG), the medullae, and thoracic-abdominal ganglion (TAG). AstA producing DLAa neurons in the TAG innervate hindgut and the poterior part of midgut. In addition, AstA are detected in the enteroendocrine cells (EECs).\par Thermogenetic activation and neurogenetic silencing tools with the aid of the \textit{UAS/Gal4} system were employed to manipulate the activity of all or individual subsets of AstA cells and investigate the effects on food intake, locomotor activity and sleep. Our experimental results showed that thermogenetic activation of two pairs of PLP neurons and/or AstA expressing EECs reduced food intake, which can be traced to AstA signalling by using \textit{AstA} mutants. In the locomotor activity, thermogenetic activation of two pairs of PLP neurons and/or AstA expressing EECs resulted in strongly inhibited locomotor activity and promoted sleep without sexual difference, which was most apparent during the morning and evening activity peaks. The experimental and control flies were not impaired in climbing ability. In contrast, conditional silencing of the PLP neurons and/or AstA expressing EECs reduced sleep specifically in the siesta. The arousal experiment was employed to test for the sleep intensity. Thermogenetically activated flies walked significantly slower and a shorter distance than controls for all arousal stimulus intensities. Furthermore, PDF receptor was detected in the PLP neurons and the PLP neurons reacted with an intracellular increase of cAMP upon PDF, only when PDF receptor was present. Constitutive activation of AstA cells by tethered PDF increased sleep and thermogenetic activation of the PDF producing sLNvs promoted sleep specifically in the morning and evening. \par The study shows that the PLP neurons and/or EECs vis AstA signalling subserve an anorexigenic and sleep-regulating function in \textit{Drosophila}. The PLP neurons arborise in the posterior superior protocerebrum, where the sleep relevant dopaminergic neurons are located, and EECs extend themselves to reach the gut lumen. Thus, the PLP neurons are well positioned to regulate sleep and EECs potentially modulate feeding and possibly locomotor activity and sleep during sending the nutritional information from the gut to the brain. The results of imaging, activation of the PDF signalling pathway by tethered PDF and thermoactivation of PDF expressing sLNvs suggest that the PLP neurons are modulated by PDF from sLNv clock neurons and AstA in PLP neurons is the downstream target of the central clock to modulate locomotor activity and sleep. AstA receptors are homologues of galanin receptors and both of them are involved in the regulation of feeding and sleep, which appears to be conserved in evolutionary aspect.\par In the second part of the dissertation, I analysed the role of myoinhibitory peptides. MIPs are brain-gut peptides in insects and polychaeta. Also in \textit{Drosophila}, MIPs are expressed in the CNS and EECs in the gut. Previous studies have demonstrated the functions of MIPs in the regulation of food intake, gut motility and ecdysis in moths and crickets. Yet, the functions of MIPs in the fruit fly are little known. To dissect effects of MIPs regarding feeding, locomotor activity and sleep in \textit{Drosophila melanogater}, I manipulated the activity of MIP\textsuperscript{WÜ} cells by using newly generated \textit{Mip\textsuperscript{WÜ}-Gal4} lines. Thermogenetical activation or genetical silencing of MIP\textsuperscript{WÜ} celles did not affect feeding behaviour and resulted in changes in the sleep status. \par My results are in contradiction to a recent research of Min Soohong and colleagues who demonstrated a role of MIPs in the regulation of food intake and body weight in \textit{Drosophila}. They showed that constitutive silencing of MIP\textsuperscript{KR} cells increased food intake and body weight, whereas thermogenetic activation of MIP\textsuperscript{KR} cells decreased food intake and body weight by using \textit{Mip\textsuperscript{KR}-Gal4} driver. Then I repeated the experiments with the \textit{Mip\textsuperscript{KR}-Gal4} driver, but could not reproduce the results. Interestingly, I just observed the opposite phenotype. When MIP\textsuperscript{KR} cells were silenced by expressing UAS-tetanus toxin (\textit{UAS-TNT}), the \textit{Mip\textsuperscript{KR}$>$TNT} flies showed reduced food intake. The thermogenetic activation of MIP\textsuperscript{KR} cells did not affect food intake. Furthermore, I observed that the thermogenetic activation of MIP\textsuperscript{KR} cells strongly reduced the sleep duration.\par In the third part of the dissertation, I adapted and improved a method for metabolic labelling for \textit{Drosophila} peptides to quantify the relative amount of peptides and the released peptides by mass spectrometry under different physiological and behavioural conditions. qRT-PCR is a practical technique to measure the transcription and the corresponding mRNA level of a given peptide. However, this is not the only way to measure the translation and production of peptides. Although the amount of peptides can be quantified by mass spectrometry, it is not possible to distinguish between peptides stored in vesicles and released peptides in CNS extracts. I construct an approach to assess the released peptides, which can be calculated by comparing the relative amount of peptides between two timepoints in combination with the mRNA levels which can be used as semiquantitative proxy reflecting the production of peptides during this period. \par After optimizing the protocol for metabolic labelling, I carried out a quantitative analysis of peptides before and after eclosion as a test. I was able to show that the EH- and SIFa-related peptides were strongly reduced after eclosion. This is in line with the known function and release of EH during eclosion. Since this test was positive, I next used the metabolic labelling in \textit{Drosophila} adult, which were either fed \textit{ad libitum} or starved for 24 hrs, and analysed the effects on the amount of AstA and MIPs. In the mRNA level, my results showed that in the brain \textit{AstA} mRNA level in the 24 hrs starved flies was increased compared to in the \textit{ad libitum} fed flies, whereas in the gut the \textit{AstA} mRNA level was decreased. Starvation induced the reduction of \textit{Mip} mRNA level in the brain and gut. Unfortunately, due to technical problems I was unable to analyse the metabolic labelled peptides during the course of this thesis.\par / Neuropeptide und Peptidhormone sind interzelluläre Botenstoffe, die neuronale und physiologische Informationen tragen. Sie kontrollieren die meisten - wenn nicht alle - biologische Prozesse in Wirbeltieren und Wirbellosen durch ihre Wirkung auf spezifische Rezeptoren an den Zielzellen. So sind bei Säugetieren z.B. viele unterschiedliche Neuropeptide an der Regulierung des Freßverhaltens und des Schlafs beteiligt. In \textit{Drosophila} sind Allatostatin A (AstA) und myoinhibitorische Peptide (MIP) typische Gehirn-Darm- Peptide. Die AstA-Rezeptoren sind Homologe des Galanin-Rezeptors der Wirbeltiere, und die Aminosäurensequenz von MIP sind ähnlich zu einer Teilsequenz von Galanin, welches einen orexigenischen Effekt hat und mit der Kontrolle des Schlafverhaltens in Säugetieren verbunden ist. Ich bin interessiert an der Identifierung möglicher pleiotroper Funktionen von AstA und MIP in der Regulation von Nahrungsaufnahme und Schlaf in \textit{Drosophila}. \par Im ersten Teil der Dissertation wird die Rolle der Hirn-Darm- Peptide der AstA-Familie analysiert. Aufgrund der verfügbaren genetischen und molekularen Werkzeuge wurde die Taufliege \textit{Drosophila melanogaster} als Modell ausgewählt, um die Funktionen von AstA zu erforschen. Der Fokus lag dabei darauf, die pleiotropen Funktionen von AstA zu identifizieren, und herauszufinden, ob den verschiedenen AstA-exprimierenden Zelltypen jeweils unterschiedliche Funktionen zukommen. Eine neue, eingeschränkte AstA-Gal4-Linie wurde generiert. AstA-exprimierende Neuronen lassen sich im posterio-lateralen Protocerebrum (PLP), dem Gnathalganglion (GNG), der Medulla und dem thorakal-abdominalen Ganglion(TAG) finden. DLAa-Neuronen im TAG innervieren den Enddarm und den vorderen Teil des Mitteldarms. Ausserdem wird AstA auch in enteroendokrinen Zellen (EEC) im Mitteldarm exprimiert.\par Thermogenetische Aktivierung und neurogenetische Stillegung wurden zusammen mithilfe des UAS/Gal4-Systems eingesetzt, um die Aktivität vieler oder einzelner Untergruppen von AstA-Zellen zu manipulieren und die Effekte auf Nahrungsaufnahme, Laufaktivität und Schlaf zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die thermogenetische Aktivierung der zwei Paare von PLP-Neuronen und/oder AstA-exprimierenden EEC Schlaf und Nahrungsaufnahme reduziert, was auf die signalisierende Funktion von AstA zurückzuführen ist. In der Laufaktivität führte die thermogenetische Aktivierung der zwei Paare von PLP-Neuronen und/oder AstA-exprimierende EEC zu starker Hemmung, und förderte Schlaf ohne geschlechtsspezifischen Unterschied, was während der Aktivitätsgipfel am Morgen und Abend am besten zu beobachten war. Die Experimental- sowie die Kontrollfliegen waren im generellen Klettervermögen nicht beeinträchtigt. In Kontrast dazu reduzierte eine konditionale Stillegung von PLP-Neuronen und allen \textit{AstA-Gal4} exprimierenden Neuronen besonders den Siesta-Schlaf. Fliegen mit thermogenetisch aktivierten AstA-Zellen liefen wesentlich langsamer und weniger als die Kontrollgruppe bei allen Erregungsintensitäten. Außerdem wurde der PDF-Rezeptor in den PLP-Neuronen ermittelt. Die PLP-Neuronen reagierten auf PDF-Gabe mit einem intrazellulären Anstieg von cAMP nur dann, wenn der PDF-Rezeptor anwesend war. Konstitutive Aktivierung von AstA-Zellen durch "tethered" PDF steigerte den Schlaf, und thermogenetische Aktivierung von PDF-produzierenden sLNvs förderte Schlaf besonders am Morgen und Abend.\par Die Studie zeigt, dass die PLP-Neuronen und/oder EECs via AstA eine anorexigenische und schlafregulierende Funktion in \text{Drosophila} ausübt. PLP-Neuronen verzweigen im posterio-superioren Protocerebrum, wo die für Schlaf relevanten dopaminergen Neurone lokalisiert sind. Die EECs erstrecken sich bis zum Darmlumen. Daher sind die PLP-Neuronen gut positioniert, um Schlaf zu regulieren, und EECs modulieren potenziell die Verdauung und möglicherweise auch Laufaktivität und Schlaf durch Vermittlung der Nahrungsinformationen vom Darm zum Gehirn. Die Ergebnisse von Imaging, Aktivierung des PDF-wegs durch "tethered" PDF und Thermoaktivierung von PDF-exprimierenden s-LNvs weisen darauf hin, dass die PLP-Neuronen durch PDF aus sLNv-Uhr-Neuronen moduliert werden. AstA in den PLP-Neuronen scheint ein indirektes Ausgangssignal der inneren Uhr das die Laufaktivität und Schlaf modelliert. Die AstA-Rezeptoren sind Homologe der Galanin-Rezeptoren; beide sind an der Regulierung von Ernährung und Schlaf beteiligt, was auf eine evolutionär bewahrte Funktion hindeutet. \par Im zweiten Teil der Dissertation habe ich die Rolle der MIP analysiert. MIP sind Hirn-Darm- Peptide der Insekten und Polychaeta. Auch in \textit{Drosophila} wird MIP durch Neurone im ZNS und durch EEC im Darm exprimiert. Bisherige Studien haben Funktionen von MIP bei der Nahrungsaufnahme, Regulation der Darmbewegung und Häutung in Motten und Grillen demonstriert. Für \textit{Drosophila} waren Funktionen von MIP nicht bekannt. Um mögliche Effekte von MIP bezüglich des Freßverhaltens, Laufaktivität und und Schlaf in \textit{Drosophila melanogaster} zu finden, habe ich die Aktivität von MIP\textsuperscript{WÜ}-Zellen mit Hilfe der neu in unserem Labor hergestellten \textit{Mip\textsuperscript{WÜ} -Gal4}-Linien manipuliert. Dabei konnte ich keinen Effekt auf das Freßverhalten finden, nachdem ich die MIP\textsuperscript{WÜ}–Zellen thermogenetisch aktiviert oder genetisch stillgelegt habe. Allerdings führte dies zu Änderungen des Schlafstatuses. \par Meine Ergebnisse stehen im Widerspruch zu einer neueren Veröffentlichung von Min Soohong und Kollegen, die eine Rolle der MIP in der Regulation von Nahrungsaufnahme und Körpergewicht von \textit{Drosophila} nachweisen konnten. Sie zeigten dass konstitutive Stillegung der MIP\textsuperscript{KR}-Zellen Nahrungsaufnahme und Körpergewicht steigerte, während thermogenetische Aktivierung der MIP\textsuperscript{KR}-Zellen Nahrungsaufnahme und Körpergewicht durch \textit{MIP\textsuperscript{KR}-Gal4}-Treiber verringerte. Ich habe daraufhin die Versuche mit der von Soohong eingesetzen \textit{Mip\textsuperscript{KR}-Gal4}-Treiber wiederholt, konnte aber damit die Ergebnisse nicht bestätigen. Interessanterweise habe ich genau das Gegenteil beobachtet. Wenn ich MIP\textsuperscript{KR}-Zellen durch Expresseion von UAS-Tetanustoxin (UAS-TNT) ausgeschaltet habe, zeigten die \textit{Mip\textsuperscript{KR}$>$TNT}-Fliegen eine reduzierte Nahrungsaufnahme. Eine thermogenetische Aktivierung der MIP\textsuperscript{KR}-Zellen hat die Nahrungsaufnahme nicht beeinflusst. Weiterhin habe ich beobachtet, dass die thermogenetische Aktivierung der MIP\textsuperscript{KR}-Zellen die Schlafdauer stark reduziert.\par Im dritten Teil der Dissertation haben ich eine Methode zur metabolischen Markierung für \textit{Drosophila}-Peptide adaptiert und verbessert, um die relative Menge von Peptiden und die Peptidausschüttung mittels Massenspektrometrie unter verschiedenen physiologischen Bedingungen und Verhaltenskontexten zu quantifizieren. qRT-PCR ist eine praktische Technik um die Transkription und die entsprechende mRNA-Menge für ein gegebenes Peptid zu messen. Dies ist allerdings kein zwingendes Maß für die Translation und Menge eines Peptids. Massenspektrometisch kann die Peptidmenge zwar quantifiziert werden, es kann aber nicht zwischen in Vesikel gespeicherten Peptiden und ausgeschütteten Peptiden in ZNS-Extrakten unterschieden werden. Ich habe nach einem Zugang zu den ausgeschütteten Peptiden gesucht, die durch Vergleich der relativen Menge der Peptide zwischen zwei Zeitpunkten kalkuliert werden können, wenn die mRNA-Menge, welche ein semiquantitatives Proxy der Produktion der Peptide in dieser Periode darstellt, bekannt ist. \par Nachdem ich das Protokoll für die metabolische Markierung optimiert hatte, habe ich als Test eine quantitative Peptidomanalyse vor und nach dem Adultschlupf durchgeführt. Dabei konnte ich zeigen, dass die EH- und SIFa-relatierte Peptide nach dem Schlupf stark reduziert sind. Dies passt gut überein mit der bekannten Funktion und Freisetzung von EH während des Schlupfs. Da dieser Test positiv war, habe ich dann als nächsten Schritt die metabolische Markierung in adulten \textit{Drosophila} eingesetzt, die für 24h entweder \textit{ad libitum} gefüttert oder gehungert wurden, und geschaut, wie sich dies auf die Menge der AstA und MIP auswirkt. Meine Ergebnisse zeigten, dass das \textit{AstA} mRNA-Niveau im Gehirn der Fliegen, die 24 Stunden gehungert haben im Vergleich zu \textit{ad libitum} gefütterten Fliegen steigt, während das \textit{AstA} mRNA-Niveau im Darm sank. Hunger führte zur Reduzierung des \textit{Mip} mRNA-Spiegels in Gehirn und Darm. Wegen technischer Probleme konnte ich die metabolisch markierten Peptide während meiner Forschungsphase leider nicht mehr analysieren. \par

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

Würzburg, Univ., Diss., 2009

Würzburg, Univ., Diss., 2008. / Zsfassung in dt. Sprache.