@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}
}
@article{FalibeneRocesRoessler2015,
  author    = {Falibene, Augustina and Roces, Flavio and R{\"o}ssler, Wolfgang},
  title     = {Long-term avoidance memory formation is associated with a transient increase in mushroom body synaptic complexes in leaf-cutting ants},
  series = {Frontiers in Behavioural Neuroscience},
  volume    = {9},
  journal   = {Frontiers in Behavioural Neuroscience},
  number    = {84},
  doi       = {10.3389/fnbeh.2015.00084},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-148763},
  year      = {2015},
  abstract  = {Long-term behavioral changes related to learning and experience have been shown to be associated with structural remodeling in the brain. Leaf-cutting ants learn to avoid previously preferred plants after they have proved harmful for their symbiotic fungus, a process that involves long-term olfactory memory. We studied the dynamics of brain microarchitectural changes after long-term olfactory memory formation following avoidance learning in Acromyrmex ambiguus. After performing experiments to control for possible neuronal changes related to age and body size, we quantified synaptic complexes (microglomeruli, MG) in olfactory regions of the mushroom bodies (MB) at different times after learning. Long-term avoidance memory formation was associated with a transient change in MG densities. Two days after learning, MG density was higher than before learning. At days 4 and 15 after learning when ants still showed plant avoidance MG densities had decreased to the initial state. The structural reorganization of MG triggered by long-term avoidance memory formation clearly differed from changes promoted by pure exposure to and collection of novel plants with distinct odors. Sensory exposure by the simultaneous collection of several, instead of one, non-harmful plant species resulted in a decrease in MG densities in the olfactory lip. We hypothesize that while sensory exposure leads to MG pruning in the MB olfactory lip, the formation of long-term avoidance memory involves an initial growth of new MG followed by subsequent pruning.},
  language  = {en}
}
@article{FalibeneRocesRoessler2015,
  author    = {Falibene, Agustina and Roces, Flavio and R{\"o}ssler, Wolfgang},
  title     = {Long-term avoidance memory formation is associated with a transient increase in mushroom body synaptic complexes in leaf-cutting ants},
  series = {Frontiers in Behavioral Neuroscience},
  volume    = {9},
  journal   = {Frontiers in Behavioral Neuroscience},
  number    = {84},
  doi       = {10.3389/fnbeh.2015.00084},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-125522},
  year      = {2015},
  abstract  = {Long-term behavioral changes related to learning and experience have been shown to be associated with structural remodeling in the brain. Leaf-cutting ants learn to avoid previously preferred plants after they have proved harmful for their symbiotic fungus, a process that involves long-term olfactory memory. We studied the dynamics of brain microarchitectural changes after long-term olfactory memory formation following avoidance learning in Acromyrmex ambiguus. After performing experiments to control for possible neuronal changes related to age and body size, we quantified synaptic complexes (microglomeruli, MG) in olfactory regions of the mushroom bodies (MBs) at different times after learning. Long-term avoidance memory formation was associated with a transient change in MG densities. Two days after learning, MG density was higher than before learning. At days 4 and 15 after learning—when ants still showed plant avoidance—MG densities had decreased to the initial state. The structural reorganization of MG triggered by long-term avoidance memory formation clearly differed from changes promoted by pure exposure to and collection of novel plants with distinct odors. Sensory exposure by the simultaneous collection of several, instead of one, non-harmful plant species resulted in a decrease in MG densities in the olfactory lip. We hypothesize that while sensory exposure leads to MG pruning in the MB olfactory lip, the formation of long-term avoidance memory involves an initial growth of new MG followed by subsequent pruning.},
  language  = {en}
}
@article{GrobHeinigGruebeletal.2021,
  author    = {Grob, Robin and Heinig, Niklas and Gr{\"u}bel, Kornelia and R{\"o}ssler, Wolfgang and Fleischmann, Pauline N.},
  title     = {Sex-specific and caste-specific brain adaptations related to spatial orientation in Cataglyphis ants},
  series = {Journal of Comparative Neurology},
  volume    = {529},
  journal   = {Journal of Comparative Neurology},
  number    = {18},
  doi       = {10.1002/cne.25221},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-257299},
  pages     = {3882-3892},
  year      = {2021},
  abstract  = {Cataglyphis desert ants are charismatic central place foragers. After long-ranging foraging trips, individual workers navigate back to their nest relying mostly on visual cues. The reproductive caste faces other orientation challenges, i.e. mate finding and colony foundation. Here we compare brain structures involved in spatial orientation of Cataglyphis nodus males, gynes, and foragers by quantifying relative neuropil volumes associated with two visual pathways, and numbers and volumes of antennal lobe (AL) olfactory glomeruli. Furthermore, we determined absolute numbers of synaptic complexes in visual and olfactory regions of the mushroom bodies (MB) and a major relay station of the sky-compass pathway to the central complex (CX). Both female castes possess enlarged brain centers for sensory integration, learning, and memory, reflected in voluminous MBs containing about twice the numbers of synaptic complexes compared with males. Overall, male brains are smaller compared with both female castes, but the relative volumes of the optic lobes and CX are enlarged indicating the importance of visual guidance during innate behaviors. Male ALs contain greatly enlarged glomeruli, presumably involved in sex-pheromone detection. Adaptations at both the neuropil and synaptic levels clearly reflect differences in sex-specific and caste-specific demands for sensory processing and behavioral plasticity underlying spatial orientation.},
  language  = {en}
}