@phdthesis{Stieb2011,
  author    = {Stieb, Sara Mae},
  title     = {Synaptic plasticity in visual and olfactory brain centers of the desert ant Cataglyphis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-85584},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {W{\"u}stenameisen der Gattung Cataglyphis wurden zu Modellsystemen bei der Erforschung der Navigationsmechanismen der Insekten. Ein altersabh{\"a}ngiger Polyethismus trennt deren Kolonien in Innendienst-Arbeiterinnen und kurzlebige lichtausgesetzte Fourageure. Nachdem die Ameisen in strukturlosem oder strukturiertem Gel{\"a}nde bis zu mehrere hundert Meter weite Distanzen zur{\"u}ckgelegt haben, k{\"o}nnen sie pr{\"a}zise zu ihrer oft unauff{\"a}lligen Nest{\"o}ffnung zur{\"u}ckzukehren. Um diese enorme Navigationsleistung zu vollbringen, bedienen sich die Ameisen der sogenannten Pfadintegration, welche die Informationen aus einem Polarisationskompass und einem Entfernungsmesser verrechnet; des Weiteren orientieren sie sich an Landmarken und nutzen olfaktorische Signale. Im Fokus dieser Arbeit steht C. fortis, welche in Salzpfannen des westlichen Nordafrikas endemisch ist - einem Gebiet, welches vollst{\"a}ndig von anderen Cataglyphis Arten gemieden wird. Die Tatsache, dass Cataglyphis eine hohe Verhaltensflexibilit{\"a}t aufweist, welche mit sich drastisch {\"a}ndernden sensorischen Anforderungen verbunden ist, macht diese Ameisen zu besonders interessanten Studienobjekten bei der Erforschung synaptischer Plastizit{\"a}t visueller und olfaktorischer Gehirnzentren. Diese Arbeit fokussiert auf plastische {\"A}nderungen in den Pilzk{\"o}rpern (PK) - sensorischen Integrationszentren, die mutmaßlich an Lern- und Erinnerungsprozessen, und auch vermutlich am Prozess des Landmarkenlernens beteiligt sind - und auf plastische {\"A}nderungen in den synaptischen Komplexen des Lateralen Akzessorischen Lobus (LAL) - einer bekannten Relaisstation in der Polarisations-Leitungsbahn. Um die strukturelle synaptische Plastizit{\"a}t der PK in C. fortis zu quantifizieren, wurden mithilfe immunozytochemischer F{\"a}rbungen die pr{\"a}- und postsynaptischen Profile klar ausgepr{\"a}gter synaptischer Komplexe (Mikroglomeruli, MG) der visuellen Region (Kragen) und der olfaktorischen Region (Lippe) der PK-Kelche visualisiert. Die Ergebnisse legen dar, dass eine Volumenzunahme der PK-Kelche w{\"a}hrend des {\"U}bergangs von Innendiensttieren zu Fourageuren von einer Abnahme der MG-Anzahl im Kragen und, mit einem geringeren Anteil, in der Lippe - dieser Effekt wird als Pruning bezeichnet - und einem gleichzeitigen Auswachsen an Dendriten PK-intrinsischer Kenyonzellen begleitet wird. Im Dunkeln gehaltene Tiere unterschiedlichen Alters zeigen nach Lichtaussetzung den gleichen Effekt und im Dunkel gehaltene, den Fourageuren altersm{\"a}ßig angepasste Tiere weisen eine vergleichbare MG-Anzahl im Kragen auf wie Innendiensttiere. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die immense strukturelle synaptische Plastizit{\"a}t in der Kragenregion der PK-Kelche haupts{\"a}chlich durch visuelle Erfahrungen ausgel{\"o}st wird und nicht ausschließlich mit Hilfe eines internen Programms abgespielt wird. Ameisen, welche unter Laborbedingungen bis zu einem Jahr alt wurden, zeigen eine vergleichbare Plastizit{\"a}t. Dies deutet darauf hin, dass das System {\"u}ber die ganze Lebensspanne eines Individuums flexibel bleibt. Erfahrene Fourageure wurden in Dunkelheit zur{\"u}ckgef{\"u}hrt, um zu untersuchen, ob die lichtausgel{\"o}ste synaptische Umstrukturierung reversibel ist, doch ihre PK zeigen nur einige die Zur{\"u}ckf{\"u}hrung widerspiegelnde Plastizit{\"a}tsauspr{\"a}gungen, besonders eine {\"A}nderung der pr{\"a}synaptischen Synapsinexprimierung. Mithilfe immunozytochemischer F{\"a}rbungen, konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden die pr{\"a}- und postsynaptischen Strukturen synaptischer Komplexe des LAL in C. fortis analysiert und potentielle strukturelle {\"A}nderungen bei Innendiensttieren und Fourageuren quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Komplexe aus postsynaptischen, in einer zentralen Region angeordneten Forts{\"a}tzen bestehen, welche umringt sind von einem pr{\"a}synaptischen kelchartigen Profil. Eingehende und ausgehende Trakte wurden durch Farbstoffinjektionen identifiziert: Projektionsneurone des Anterioren Optischen Tuberkels kontaktieren Neurone, welche in den Zentralkomplex ziehen. Der Verhaltens{\"u}bergang wird von einer Zunahme an synaptischen Komplexen um ~13\% begleitet. Dieser Zuwachs suggeriert eine Art Kalibrierungsprozess in diesen potentiell kr{\"a}ftigen synaptischen Kontakten, welche vermutlich eine schnelle und belastbare Signal{\"u}bertragung in der Polarisationsbahn liefern. Die Analyse von im Freiland aufgenommener Verhaltenweisen von C. fortis enth{\"u}llen, dass die Ameisen, bevor sie mit ihrer Fouragiert{\"a}tigkeit anfangen, bis zu zwei Tage lang in unmittelbarer N{\"a}he des Nestes Entdeckungsl{\"a}ufe unternehmen, welche Pirouetten {\"a}hnliche Drehungen beinhalten. W{\"a}hrend dieser Entdeckungsl{\"a}ufe sammeln die Ameisen Lichterfahrung und assoziieren m{\"o}glicherweise den Nesteingang mit spezifischen Landmarken oder werden anderen visuellen Informationen, wie denen des Polarisationsmusters, ausgesetzt und adaptieren begleitend ihre neuronalen Netzwerke an die bevorstehende Herausforderung. Dar{\"u}ber hinaus k{\"o}nnten die Pirouetten einer Stimulation der an der Polarisationsbahn beteiligten neuronalen Netzwerke dienen. Videoanalysen legen dar, dass Lichtaussetzung nach drei Tagen die Bewegungsaktivit{\"a}t der Ameisen heraufsetzt. Die Tatsache, dass die neuronale Umstrukturierung in visuellen Zentren wie auch die Ver{\"a}nderungen im Verhalten im selben Zeitrahmen ablaufen, deutet darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen struktureller synaptischer Plastizit{\"a}t und dem Verhaltens{\"u}bergang von der Innendienst- zur Fouragierphase bestehen k{\"o}nnte. Cataglyphis besitzen hervorragende visuelle Navigationsf{\"a}higkeiten, doch sie nutzen zudem olfaktorische Signale, um das Nest oder die Futterquelle aufzusp{\"u}ren. Mithilfe konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden potentielle Anpassungen der prim{\"a}ren olfaktorischen Gehirnzentren untersucht, indem die Anzahl, Gr{\"o}ße und r{\"a}umliche Anordnung olfaktorischer Glomeruli im Antennallobus von C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, und C. noda verglichen wurde. Arbeiterinnen aller Cataglyphis-Arten haben eine geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu denen der mehr olfaktorisch-orientierten Formica Arten - einer Gattung nah verwandt mit Cataglyphis - und denen schon bekannter olfaktorisch-orientierter Ameisenarten. C. fortis hat die geringste Anzahl an Glomeruli im Vergleich zu allen anderen Cataglyphis-Arten und besitzt einen vergr{\"o}ßerten Glomerulus, der nahe dem Eingang des Antennennerves lokalisiert ist. C. fortis M{\"a}nnchen besitzen eine signifikant geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu Arbeiterinnen und K{\"o}niginnen und haben einen hervorstechenden M{\"a}nnchen-spezifischen Makroglomerulus, welcher wahrscheinlich an der Pheromon-Kommunikation beteiligt ist. Die Verhaltensrelevanz des vergr{\"o}ßerten Glomerulus der Arbeiterinnen bleibt schwer fassbar. Die Tatsache, dass C. fortis Mikrohabitate bewohnt, welche von allen anderen Cataglyphis Arten gemieden werden, legt nahe, dass extreme {\"o}kologische Bedingungen nicht nur zu Anpassungen der visuellen F{\"a}higkeiten, sondern auch des olfaktorischen Systems gef{\"u}hrt haben. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht, dass Cataglyphis ein exzellenter Kandidat ist bei der Erforschung neuronaler Mechanismen, welche Navigationsfunktionalit{\"a}ten zugrundeliegen, und bei der Erforschung neuronaler Plastizit{\"a}t, welche verkn{\"u}pft ist mit der lebenslangen Flexibilit{\"a}t eines individuellen Verhaltensrepertoires.},
  subject      = {Neuroethologie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Brill2013,
  author    = {Brill, Martin Fritz},
  title     = {Processing and plasticity within the dual olfactory pathway in the honeybee brain},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-85600},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {In their natural environment animals face complex and highly dynamic olfactory input. This requires fast and reliable processing of olfactory information, in vertebrates as well as invertebrates. Parallel processing has been shown to improve processing speed and power in other sensory systems like auditory or visual. In the olfactory system less is known about olfactory coding in general and parallel processing in particular. With its elaborated olfactory system and due to their specialized neuroanatomy, honeybees are well-suited model organism to study parallel olfactory processing. The honeybee possesses a unique neuronal architecture - a dual olfactory pathway. Two mirror-imaged output projection neuron (PN) pathways connect the first olfactory processing stage, the antennal lobe (analog to the vertebrates olfactory bulb, OB), with the second, the mushroom body (MB) known to be involved in orientation and learning and memory, and the lateral horn (LH). The medial antennal lobe-protocerebral tract (m-APT) first innervates the MB and thereafter the LH, while the other, the lateral-APT (l-APT) projects in opposite direction. The neuroanatomy and evolution of these pathways has been analyzed, yet little is known about its physiology. To analyze the function of the dual olfactory pathway a new established recording method was designed and is described in the first chapter of this thesis (multi-unit-recordings). This is now the first time where odor response from several PNs of both tracts is recorded simultaneously and with high temporal precision. In the second chapter the PN odor responses are analyzed. The major findings are: both tracts responded to all tested odors but with differing characteristics. Since recent studies describe the input to the two tracts being rather similar, the results now indicate differential odor processing along the tracts, therefore this is a good indicator for parallel processing. PNs of the m-APT process odors in a sparse manner with delayed response latencies, but with high odor-specificity. PNs of the l-APT in contrast respond to several odor stimuli and respond in general faster. In some PN originating from both tracts, characteristics of odor-identity coding via response latencies were found. Analyzing the over-all dynamic range of the PNs both l- and m-APT PNs were tested over a large odor concentration range (10-6 to 10-2) (3. chapter). The PNs responded with linear and non-linear correlation of the response strength to the odor concentration. In most cases the l-APT is comparatively more sensitive to low odor concentrations. Response latency decreases with increasing odor concentration in both tracts. Alternative coding principles and elaboration on the hypothesis whether the dual olfactory pathway may contribute coincidental innervation to the next higher-order neurons, the Kenyon cells (KC), is subject of the 4. chapter. Cross-correlations and synchronous responses of both tracts show that in principle odors may be coded via temporal coding. Results suggest that odor processing is enhanced if both tracts contribute to olfactory coding together. In another project the distribution of the inhibitory neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) was measured in the bee's MB during adult maturation (5. chapter). GABAergic inhibition is of high importance in odor coding. An almost threefold decrease in the total amount of GABAergic innervation was found during adult maturation in the l- and m-APT target region, in particular at the change in division of labor during the transition from a young nurse bee to an older forager bee. The results fit well into the current understanding of brain development in the honeybee and other social insects during adult maturation, which was described as presynaptic pruning and KC dendritic outgrowth. Combining anatomical and functional properties of the bee's dual olfactory pathway suggests that both rate and temporal coding are implemented along two parallel streams. Comparison with recent work on analog output pathways of the vertebrate's OB indicates that parallel processing of olfactory information may be a common principle across distant taxa.},
  subject      = {Tierphysiologie},
  language  = {en}
}