TY  - THES
A1  - Jenett, Arnim
T1  - The Virtual Insect Brain Protocol : development and application of software for the standardization of neuroanatomy
T1  - Das Virtual Insect Brain Protocol
N2  - Since the fruit fly Drosophila melanogaster entered the laboratories as a model organism, new genetic, physiological, molecular and behavioral techniques for the functional analysis of the brain rapidly accumulated. Nowadays this concerted assault obtains its main thrust form Gal4 expression patterns that can be visualized and provide the means for manipulating -in unrestrained animals- groups of neurons of the brain. To take advantage of these patterns one needs to know their anatomy. This thesis describes the Virtual Insect Brain (VIB) protocol, a software package for the quantitative assessment, comparison, and presentation of neuroanatomical data. It is based on the 3D-reconstruction and visualization software Amira (Mercury Inc.). Its main part is a standardization procedure which aligns individual 3D images (series of virtual sections obtained by confocal microscopy) to a common coordinate system and computes average intensities for each voxel (volume pixel). The VIB protocol facilitates direct comparison of gene expression patterns and describes their interindividual variability. It provides volumetry of brain regions and helps to characterize the phenotypes of brain structure mutants. Using the VIB protocol does not require any programming skills since all operations are carried out at a (near to) self-explanatory graphical user interface. Although the VIB protocol has been developed for the standardization of Drosophila neuroanatomy, the program structure can be used for the standardization of other 3D structures as well. Standardizing brains and gene expression patterns is a new approach to biological shape and its variability. Using the VIB protocol consequently may help to integrate knowledge on the correlation of form and function of the insect brain. The VIB protocol provides a first set of tools supporting this endeavor in Drosophila. The software is freely available at http://www.neurofly.de.
N2  - Seitdem die Taufliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus Einzug in die Forschung erhalten hat, sammeln sich mehr und mehr genetische, physiologische und molekulare Techniken für die Funktionsanalyse des Gehirns an. Diese beruhen heutzutage meist auf Gal4 Expressionsmustern, die sichtbar gemacht werden können und eine gezielte Manipulierung von definierten Zellgruppen ermöglichen. Um Ergebnisse verschiedener Untersuchungen miteinander in Beziehung setzen zu können, muss man jedoch die typische Anatomie der zugrunde liegenden Expressionsmuster kennen. Diese Arbeit beschreibt das Virtual Insect Brain (VIB) Protokoll, eine Software für die Darstellung, die quantitative Einschätzung und den Vergleich von neuroanatomischen Daten, sowie einige exemplarische Anwendungen des VIB Protokolls. Die Software basiert auf der 3D-Rekonstruktions- und der Visualisierungs-Software Amira (Mercury Inc.). Sein Hauptbestandteil ist ein Normierungverfahren, das 3D-Bild-Stapel (Folgen virtueller Schnittbilder, erhalten durch konfokale Mikroskopie) auf ein gemeinsames Koordinatensystem abbildet und für jedes Voxel (dreidimensionaler Bildpunkt) die durchschnittliche Intensität berechnet. Das VIB Protokoll erleichtert dadurch den direkten Vergleich von Expressionsmustern und beschreibt ihre interindividuelle Variabilität. Es liefert volumetrische Messungen zu definierten Gehirnregionen und hilft, die durch Mutation entstehenden Veränderungen der Gehirnstruktur zu erkennen. Das Verwenden des VIB Protokolls erfordert keinerlei Programmierkenntnisse, da alle Vorgänge auf einer selbsterklärenden graphischen Benutzeroberfläche ausgeführt werden können. Obgleich das VIB Protokoll für die Normierung der Neuroanatomy von Taufliegen entwickelt worden ist, kann die Programmstruktur auch für die Normierung anderer 3D-Strukturen benutzt werden. Gehirne und Expressionsmuster zu standardisieren ist ein neuer Ansatz die Variabilität der Neuroanatomie zu hinterfragen. Bei konsequenter Verwendung kann das VIB Protokoll helfen Wissen über Form und Funktion des Insektengehirns zu miteinander zu vernetzen. Das VIB Protokoll liefert einen ersten Satz Werkzeuge, die diese Bemühung in der Taufliege ermöglichen. Die Software kann kostenfrei von http://www.neurofly.de herunter geladen werden.
KW  - Taufliege
KW  - Gehirn
KW  - Neuroanatomie
KW  - Software
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - Standardgehirn
KW  - Neuroanatomie
KW  - VIB
KW  - standardization
KW  - software
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22297
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TY  - THES
A1  - Kropf, Jan
T1  - The Dual Olfactory Pathway in the Honeybee Brain: Sensory Supply and Electrophysiological Properties
T1  - Der duale olfaktorische Weg im Gehirn der Honigbiene: Sensorischer Eingang und elektrophysiologische Eigenschaften
N2  - The olfactory sense is of utmost importance for honeybees, Apis mellifera. Honeybees use olfaction for communication within the hive, for the identification of nest mates and non-nest mates, the localization of food sources, and in case of drones (males), for the detection of the queen and mating. Honeybees, therefore, can serve as excellent model systems for an integrative analysis of an elaborated olfactory system.
To efficiently filter odorants out of the air with their antennae, honeybees possess a multitude of sensilla that contain the olfactory sensory neurons (OSN). Three types of olfactory sensilla are known from honeybee worker antennae: Sensilla trichoidea, Sensilla basiconica and Sensilla placodea. In the sensilla, odorant receptors that are located in the dendritic arborizations of the OSNs transduce the odorant information into electrical information. Approximately 60.000 OSN axons project in two parallel bundles along the antenna into the brain. Before they enter the primary olfactory brain center, the antennal lobe (AL), they diverge into four distinct tracts (T1-T4). OSNs relay onto ~3.000-4.000 local interneurons (LN) and ~900 projection neurons (PN), the output neurons of the AL. The axons of the OSNs together with neurites from LNs and PNs form spheroidal neuropil units, the so-called glomeruli. OSN axons from the four AL input tracts (T1-T4) project into four glomerular clusters. LNs interconnect the AL glomeruli, whereas PNs relay the information to the next brain centers, the mushroom body (MB) - associated with sensory integration, learning and memory - and the lateral horn (LH). In honeybees, PNs project to the MBs and the LH via two separate tracts, the medial and the lateral antennal-lobe tract (m/lALT) which run in parallel in opposing directions. The mALT runs first to the MB and then to the LH, the lALT runs first to the LH and then to the MB. This dual olfactory pathway represents a feature unique to Hymenoptera. Interestingly, both tracts were shown to process information about similar sets of odorants by extracting different features. Individual mALT PNs are more odor specific than lALT PNs. On the other hand, lALT PNs have higher spontaneous and higher odor response action potential (AP) frequencies than mALT PNs. In the MBs, PNs form synapses with ~184.000 Kenyon cells (KC), which are the MB intrinsic neurons. KCs, in contrast to PNs, show almost no spontaneous activity and employ a spatially and temporally sparse code for odor coding. 
In manuscript I of my thesis, I investigated whether the differences in specificity of odor responses between m- and lALT are due to differences in the synaptic input. Therefore, I investigated the axonal projection patterns of OSNs housed in S. basiconica in honeybee workers and compared them with S. trichoidea and S. placodea using selective anterograde labeling with fluorescent tracers and confocal- microscopy analyses of axonal projections in AL glomeruli. Axons of S. basiconica-associated OSNs preferentially projected into the T3 input-tract cluster in the AL, whereas the two other types of sensilla did not show a preference for a specific glomerular cluster. T3- associated glomeruli had previously been shown to be innervated by mALT PNs. Interestingly, S. basiconica as well as a number of T3 glomeruli lack in drones. Therefore I set out to determine whether this was associated with the reduction of glomeruli innervated by mALT PNs. Retrograde tracing of mALT PNs in drones and counting of innervated glomeruli showed that the number of mALT-associated glomeruli was strongly reduced in drones compared to workers. The preferential projections of S. basiconica-associated OSNs into T3 glomeruli in female workers together with the reduction of mALT-associated glomeruli in drones support the presence of a female-specific olfactory subsystem that is partly innervated by OSNs from S. basiconica and is associated with mALT projection neurons. As mALT PNs were shown to be more odor specific, I suppose that already the OSNs in this subsystem are more odor specific than lALT associated OSNs. I conclude that this female-specific subsystem allows the worker honeybees to respond adequately to the enormous variety of odorants they experience during their lifetime. 
In manuscript II, I investigated the ion channel composition of mALT and lALT PNs and KCs in situ. This approach represents the first study dealing with the honeybee PN and KC ion channel composition under standard conditions in an intact brain preparation. With these recordings I set out to investigate the potential impact of intrinsic neuronal properties on the differences between m- and lALT PNs and on the sparse odor coding properties of KCs. In PNs, I identified a set of Na+ currents and diverse K+ currents depending on voltage and Na+ or Ca2+ that support relatively high spontaneous and odor response AP frequencies. This set of currents did not significantly differ between mALT and lALT PNs, but targets for potential modulation of currents leading to differences in AP frequencies were found between both types of PNs. In contrast to PNs, KCs have very prominent K+ currents, which are likely to contribute to the sparse response fashion observed in KCs. Furthermore, Ca2+ dependent K+ currents were found, which may be of importance for coincidence detection, learning and memory formation.
Finally, I conclude that the differences in odor specificity between m- and lALT PNs are due to their synaptic input from different sets of OSNs and potential processing by LNs. The differences in spontaneous activity between the two tracts may be caused by different neuronal modulation or, in addition, also by interaction with LNs. The temporally sparse representation of odors in KCs is very likely based on the intrinsic KC properties, whereas general excitability and spatial sparseness are likely to be regulated through GABAergic feedback neurons.
N2  - Der Geruchssinn ist für die Honigbiene, Apis mellifera, von größter Bedeutung. Honigbienen kommunizieren olfaktorisch, sie können Nestgenossinnen und koloniefremde Honigbienen aufgrund des Geruchs unterscheiden, sie suchen und erkennen Nahrungsquellen olfaktorisch, und Drohnen (männliche Honigbienen) finden die Königin mit Hilfe des Geruchssinns. Deshalb dient die Honigbiene als exzellentes Modell für die Untersuchung hochentwickelter olfaktorischer Systeme.
Honigbienen filtern Duftmoleküle mit ihren Antennen aus der Luft. Auf diesen Antennen sitzen Sensillen, die die olfaktorischen sensorischen Neurone (OSN) beinhalten. Drei verschiedene olfaktorische Sensillen existieren bei Arbeiterinnen: Sensilla trichoidea, Sensilla basiconica und Sensilla placodea. In diesen Sensillen sind olfaktorische Rezeptorproteine auf den Dendriten der OSN lokalisiert. Diese Duftrezeptoren wandeln die Duftinformationen in elektrische Informationen um. Die Axone von ca. 60.000 OSN ziehen in zwei Bündeln entlang der Antenne in das Gehirn. Bevor sie das erste olfaktorische Gehirnzentrum, den Antennallobus (AL), erreichen, spalten sie sich in vier distinkte Trakte (T1-T4) auf. Im AL verschalten sie auf 3.000-4.000 lokale Interneurone (LN) und auf etwa 900 Ausgangsneurone des AL, die Projektionsneurone (PN). Die axonalen Endigungen der OSN bilden mit Neuriten der PN und LN kugelförmige Strukturen, die so genannten Glomeruli. Die OSN aus den vier Trakten T1-T4 ziehen in vier zugehörige glomeruläre Cluster. LN verschalten die Information unter den AL Glomeruli, PN leiten olfaktorische Informationen zu den nächsten Gehirnstrukturen, den Pilzkörpern und dem lateralen Horn, weiter. Die Pilzkörper werden als Zentrum für sensorische Integration, Lernen und Gedächtnis gesehen. Die PN, die den AL mit dem Pilzkörper und dem lateralen Horn verbinden, verlaufen in Honigbienen parallel über zwei Bahnen, den medialen und den lateralen Antennallobustrakt (mALT/lALT), aber in entgegengesetzter Richtung. Dieser duale olfaktorische Signalweg wurde in dieser Ausprägung bisher nur in Hymenopteren gefunden. Interessanterweise prozessieren beide Trakte Informationen über die gleichen Düfte. Dabei sind mALT PN duftspezifischer und lALT PN haben höhere spontane Aktionspotentialfrequenzen sowie höhere Aktionspotentialfrequenzen in Antwort auf einen Duftreiz. Im Pilzkörper verschalten PN auf Kenyon Zellen (KC), die intrinsischen Neurone des Pilzkörpers. KC sind im Gegensatz zu PN fast nicht spontan aktiv und kodieren Informationen auf räumlicher und zeitlicher Ebene mit geringer Aktivität. Man spricht von einem so genannten "sparse code". 
Im ersten Manuskript meiner Doktorarbeit habe ich untersucht, ob die Unterschiede in der Spezifität der Duftantworten zwischen mALT und lALT PN zumindest zum Teil auf Unterschieden im sensorischen Eingang beruhen. Ich habe die axonalen Projektionen der OSN der S. basiconica in Honigbienen untersucht und mit den Projektionen von OSN in S. trichoidea und S. placodea verglichen. Dazu wurden die OSN in den S. basiconica anterograd mit Fluoreszenzmarkern gefärbt und mit mittels konfokaler Mikroskopie untersucht und quantifiziert. Die Axone von OSN aus S. basiconica ziehen präferentiell in das T3 Glomerulus Cluster, die Axone der anderen beiden Sensillentypen zeigen keine Präferenz für ein spezielles Cluster. Es wurde bereits gezeigt, dass die Glomeruli des T3 Clusters von mALT PN innerviert werden. Interessanterweise fehlen S. basiconica und Teile der T3 Glomeruli in Drohnen. Deshalb habe ich untersucht, ob die T3 Reduzierung in Drohnen mit einer Reduzierung der mALT Glomeruli einhergeht. Retrograde Färbungen der mALT PN in Drohnen zeigten, daß die Zahl der mALT Glomeruli in Drohnen gegenüber Arbeiterinnen deutlich reduziert ist. Die Präferenz der OSN der S. basiconica für das T3 Cluster und die reduzierte Anzahl von mALT Glomeruli in Drohnen weisen auf ein arbeiterinnenspezifisches olfaktorisches Subsystem hin, welches aus S. basiconica, T3 Glomeruli und einer Gruppe von mALT PN besteht. Da die mALT PN duftspezifischer als lALT PN sind, vermute ich, dass auch die OSN, die auf mALT PN verschalten, duftspezifischer antworten als OSN die auf lALT PN verschalten. Daraus schließe ich, daß dieses Subsystem den Arbeiterinnen ermöglicht, passend auf die enorme Breite an Duftstoffen zu reagieren, die diese im Laufe ihres arbeitsteiligen Lebens wahrnehmen müssen.
Im zweiten Manuskript meiner Doktorarbeit habe ich die Ionenkanalzusammensetzung der mALT PN, der lALT PN und der KC in situ untersucht. Mein Ansatz stellt die erste Studie dar, die die Ionenkanäle von Neuronen in der Honigbiene unter Standardbedingungen an einer intakten Gehirnpräparation untersucht. Mit diesen Messungen versuche ich die potentiellen bioelektrischen Grundlagen für Unterschiede in der Informationskodierung in mALT PN, lALT PN und Kenyon Zellen zu ergründen. In PN konnte ich eine Gruppe von Na+ Ionenkanälen und Na+ abhängigen, Ca2+ abhängigen sowie spannungsabhängigen K+ Ionenkanälen identifizieren, die die Grundlagen für hohe, spontane Aktionspotentialfrequenzen und hohe Duftantwortfrequenzen schaffen. Diese Ströme unterschieden sich nicht grundsätzlich zwischen m- und lALT PN. Jedoch wurden potentielle Ziele für neuronale Modulation gefunden, welche zu unterschiedlichen Aktionspotentialfrequenzen zwischen PN der beiden Trakte führen könnten. Im Gegensatz zu den PN wurden in Kenyon Zellen in der Relation sehr starke K+ Ionenströme gemessen. Diese dienen sehr wahrscheinlich der schnellen Terminierung von Duftantworten, also dem Erzeugen des zeitlichen "sparse code". Außerdem wurden Ca2+ abhängige K+ Kanäle gefunden, die für Koinzidenzdetektion, Lernen und Gedächtnis von Bedeutung sein können. 
In der Gesamtsicht folgere ich aus meinen Ergebnissen, dass die Unterschiede in der Duftspezifizität zwischen m- und lALT PN überwiegend auf deren sensorischen Eingängen von unterschiedlichen Populationen von OSN und der Verarbeitung über lokale Interneuronen im AL beruht. Die Unterschiede in der Spontanaktivität zwischen mALT und lALT basieren sehr wahrscheinlich auf neuronaler Modulation und/oder Interaktion mit LN. Die zeitliche Komponente des "sparse code" in KC entsteht höchstwahrscheinlich durch die intrinsischen elektrischen Eigenschaften der KC, wohingegen die generelle Erregbarkeit und der räumliche "sparse code" mit großer Wahrscheinlichkeit auf der Regulation durch GABAerge Neurone beruht.
KW  - Voltage-Clamp-Methode
KW  - Biene
KW  - Neuroanatomie
KW  - Neurobiology
KW  - Olfaction
KW  - Geruchssinn
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108369
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TY  - THES
A1  - Schubert, Frank Klaus
T1  - The circadian clock network of \(Drosophila\) \(melanogaster\)
T1  - Das Uhrneuronennetzwerk von \(Drosophila\) \(melanogaster\)
N2  - All living organisms need timekeeping mechanisms to track and anticipate cyclic changes in their environment. The ability to prepare for and respond to daily and seasonal changes is endowed by circadian clocks. The systemic features and molecular mechanisms that drive circadian rhythmicity are highly conserved across kingdoms. Therefore, Drosophila melanogaster with its relatively small brain (ca. 135.000 neurons) and the outstanding genetic tools that are available, is a perfect model to investigate the properties and relevance of the circadian system in a complex, but yet comprehensible organism. 
The last 50 years of chronobiological research in the fruit fly resulted in a deep understanding of the molecular machinery that drives circadian rhythmicity, and various histological studies revealed the neural substrate of the circadian system. However, a detailed neuroanatomical and physiological description on the single-cell level has still to be acquired. Thus, I employed a multicolor labeling approach to characterize the clock network of Drosophila melanogaster with single-cell resolution and additionally investigated the putative in- and output sites of selected neurons.
To further study the functional hierarchy within the clock network and to monitor the “ticking clock“ over the course of several circadian cycles, I established a method, which allows us to follow the accumulation and degradation of  the core clock genes in living brain explants by the means of bioluminescence imaging of single-cells.
N2  - Alle lebenden Organismen benötigen Mechanismen zur Zeitmessung, um sich auf periodisch wiederkehrende Umweltveränderungen einstellen zu können. Zirkadiane Uhren verleihen die Fähigkeit, tages- und jahreszeitliche Veränderungen vorauszuahnen und sich an diese anzupassen. Die Eigenschaften des zirkadianen Systems, als auch dessen molekularer Mechanismus scheinen über sämtliche Taxa konserviert zu sein. Daher bietet es sich an, die leicht handhabbare Taufliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus zu benutzen. Das relativ kleine Gehirn (ca. 135.000 Neurone) und die herausragende genetische Zugänglichkeit der Fliege prädestinieren sie dazu, das zirkadiane System in einem komplexen, aber dennoch überschaubaren Kontext zu untersuchen.
Die vergangenen 50 Jahre chronobiologischer Forschung an Drosophila führten zu einem tiefgreifenden Verständnis der molekularen Mechanismen, die für tageszeitliche Rhythmizität verantwortlich sind. Anhand zahlreicher histologischer Untersuchungen wurde die neuronale Grundlage, das Uhrneuronennetzwerk im zentralen Nervensystem, beschrieben. Nichtsdestotrotz, gibt es noch immer keine detaillierte neuroanatomische und physiologische Charakterisierung der Uhrneurone auf Einzelzellebene. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit die umfangreiche Beschreibung der Einzelzellanatomie ausgewählter Uhrneurone sowie die Identifikation mutmaßlicher post- und präsynaptischer Verzweigungen.
Darüber hinaus war es mir möglich, eine Methode zur Messung von Biolumineszenzrhythmen in explantierten lebenden Gehirnen zu etablieren. Mit einem Lumineszenzmikroskop können die Proteinoszillationen einzelner Uhrneurone über die Dauer mehrerer zirkadianer Zyklen aufgezeichnet werden, wodurch neue funktionale Studien ermöglicht werden.
KW  - Taufliege
KW  - Chronobiologie
KW  - Tagesrhythmus
KW  - Neuroanatomie
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - circadian rhythms
KW  - single cell anatomy
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157136
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TY  - THES
A1  - Zube, Christina
T1  - Neuronal representation and processing of chemosensory communication signals in the ant brain
N2  - Ants heavily rely on olfaction for communication and orientation and ant societies are characterized by caste- and sex-specific division of labor. Olfaction plays a key role in mediating caste-specific behaviours. I investigated whether caste- and sex-specific differences in odor driven behavior are reflected in specific differences and/or adaptations in the ant olfactory system. In particular, I asked the question whether in the carpenter ant, Camponotus floridanus, the olfactory pathway exhibits structural and/or functional adaptations to processing of pheromonal and general odors. To analyze neuroanatomical specializations, the central olfactory pathway in the brain of large (major) workers, small (minor) workers, virgin queens, and males of the carpenter ant C. floridanus was investigated using fluorescent tracing, immunocytochemistry, confocal microscopy and 3D-analyzes. For physiological analyzes of processing of pheromonal and non-pheromonal odors in the first odor processing neuropil , the antennal lobe (AL), calcium imaging of olfactory projection neurons (PNs) was applied. Although different in total glomerular volumes, the numbers of olfactory glomeruli in the ALs were similar across the female worker caste and in virgin queens. Here the AL contains up to ~460 olfactory glomeruli organized in 7 distinct clusters innervated via 7 antennal sensory tracts. The AL is divided into two hemispheres regarding innervations of glomeruli by PNs with axons leaving via a dual output pathway. This pathway consists of the medial (m) and lateral (l) antenno-cerebral tract (ACT) and connects the AL with the higher integration areas in the mushroom bodies (MB) and the lateral horn (LH). M- and l-ACT PNs differ in their target areas in the MB calyx and the LH. Three additional ACTs (mediolateral - ml) project to the lateral protocerebrum only. Males had ~45% fewer glomeruli compared to females and one of the seven sensory tracts was absent. Despite a substantially smaller number of glomeruli, males possess a dual PN output pathway to the MBs. In contrast to females, however, only a small number of glomeruli were innervated by projection neurons of the m-ACT. Whereas all glomeruli in males were densely innervated by serotonergic processes, glomeruli innervated by sensory tract six lacked serotonergic innervations in the female castes. It appears that differences in general glomerular organization are subtle among the female castes, but sex-specific differences in the number, connectivity and neuromodulatory innervations of glomeruli are substantial and likely to promote differences in olfactory behavior. Calcium imaging experiments to monitor pheromonal and non-pheromonal processing in the ant AL revealed that odor responses were reproducible and comparable across individuals. Calcium responses to both odor groups were very sensitive (10-11 dilution), and patterns from both groups were partly overlapping indicating that processing of both odor classes is not spatially segregated within the AL. Intensity response patterns to the pheromone components tested (trail pheromone: nerolic acid; alarm pheromone: n-undecane), in most cases, remained invariant over a wide range of intensities (7-8 log units), whereas patterns in response to general odors (heptanal, octanol) varied across intensities. Durations of calcium responses to stimulation with the trail pheromone component nerolic acid increased with increasing odor concentration indicating that odor quality is maintained by a stable pattern (concentration invariance) and intensity is mainly encoded in the response durations of calcium activities. For n-undecane and both general odors increasing response dynamics were only monitored in very few cases. In summary, this is the first detailed structure-function analyses within the ant’s central olfactory system. The results contribute to a better understanding of important aspects of odor processing and olfactory adaptations in an insect’s central olfactory system. Furthermore, this study serves as an excellent basis for future anatomical and/or physiological experiments.
N2  - Für Ameisen spielt die olfaktorische Kommunikation und Orientierung eine zentrale Rolle hinsichtlich der Organisation des Ameisenstaates. Ob sich kasten- und geschlechtsspezifische Verhaltensunterschiede auf neuronaler Ebene und besonders im olfaktorischen System der Ameise widerspiegeln ist die zentrale Frage meiner Arbeit. Im Speziellen stellte ich die Frage, ob sich in der olfaktorischen Bahn der Rossameise Camponotus floridanus strukturelle oder funktionelle Anpassungen an die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften aufzeigen lassen. Zur Analyse hinsichtlich neuroanatomischer Spezialisierungen wurde die olfaktorische Bahn im Gehirn von großen und kleinen Arbeiterinnen, Jungköniginnen und Männchen der Rossameise C. floridanus mittels Fluoreszenzmassenfärbungen, Immunzytochemie, konfokaler Laserscanningmikroskopie und 3D-Auswertung untersucht. Um die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im primären olfaktorischen Neuropil, dem Antennallobus (AL), auf physiologischer Ebene zu charakterisieren wurden olfaktorische Projektionsneurone mittels Calcium Imaging untersucht. Obwohl sich das glomeruläre Gesamtvolumen der ALs zwischen Arbeiterinnenkasten und Jungköniginnen unterscheidet, lag die Gesamtzahl der Glomeruli im AL in einem ähnlichen Bereich. Der AL besteht in allen drei weiblichen Kasten aus bis zu 460 Glomeruli, die in sieben Clustern angeordnet sind und von sieben sensorischen Eingangstrakten innerviert werden. Der AL unterteilt sich in zwei Hemispheren, deren entsprechende Glomeruli von Projektionsneuronen innverviert werden, die vom AL über die Nervenbahn des “dual output pathway” in höhere Hirnregionen projizieren. Diese Nervenbahn besteht aus dem medialen (m) und lateralen (l) Antennocerebraltrakt (ACT) und verbindet den AL mit höheren Integrationszentren wie den Pilzkörpern (MB) und dem lateralen Horn (LH). M- und l-ACT unterscheiden sich in ihren Zielregionen im MB Calyx und dem LH. Drei weitere ACTs (mediolateral – ml) projizieren ausschließlich ins laterale Protocerebrum. Männchen besitzen ca. 45% weniger Glomeruli im Vergleich zur Weibchenkaste. Ihnen fehlt weiterhin einer der sieben sensorischen Eingangstrakte vollständig. Trotz der wesentlich geringeren Anzahl an Glomeruli, besitzen auch Männchen den “dual output pathway”. Im Gegensatz zu den Weibchen ist allerdings nur eine geringe Anzahl an Glomeruli durch m-ACT Projektionsneurone innerviert. Ein weiterer Unterschied im AL von Männchen und Weibchen findet sich in den Glomeruli des sensorische Trakts Nummer sechs, die bei Weibchen keinerlei serotonerge Innervierung aufweisen während beim Männchen der gesamte AL dichte serotonerge Verzweigungen besitzt. Es zeigt sich somit, dass die kastenspezifischen Unterschiede in der allgmeinen glomerulären Organisation des AL innerhalb der Weibchenkaste nur sehr fein sind. Im Gegensatz dazu sind die geschlechtsspezifischen Unterschiede in Anzahl, Konnektivität und neuromodulatorischer Innervierung von Glomeruli zwischen Weibchen- und Männchen wesentlich ausgeprägter was Unterschiede in olfaktorisch geprägten Verhaltensweisen begünstigen könnte. Die Calcium Imaging Experimente zur Untersuchung der Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im AL der Ameise zeigten, dass Duftantworten reproduzierbar und zwischen Individuen vergleichbar waren. Die Sensitivität des Calcium Signals lag für beide Duftgruppen in einem sehr niedrigen Bereich (Verdünnung 10-11). Die Antortmuster beider Duftgruppen überlappten zum Teil, was die Annahme zuläßt, dass die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften keiner räumlichen Trennung innerhalb des AL unterliegt. Die Intensität der Antwortmuster auf die Pheromonkomponenten (Spurpheromon: Nerolsäure; Alarmpheromon: n-Undecan) blieben in den meisten Fällen über einen weiten Konzentrationsbereich konstant (7-8 log Einheiten). Die Dauer der Calciumantwort nach Stimulation mit Nerolsäure verlängerte sich mit steigender Duftkonzentration. Dies läßt für das Spurpheromon den Schluß zu, dass die Duftqualität in einem konstanten Duftmuster (Konzentrationsinvarianz) repräsentiert und die Duftintensität über die Dauer des Calciumsignals abgebildet wird. Da die Antwortmuster auf generelle Düfte (Heptanal, Octanol) dagegen sehr viel stärker innerhalb des getesteten Konzentrationsbereichs varrieren ließ sich für n-Undecan und die beiden generellen Düfte eine solche Dynamik nur in einigen wenigen Fällen beobachtet. Zusammenfassend ist diese Studie die erste strukturelle und funktionelle Studie des olfaktorischen Systems der Ameise. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der neuronalen Adaptationen und Mechanismen hinsichtlich Duftverarbeitung im zentralen Nervensystem von Insekten bei. Außerdem liefert diese Studie eine wichtige Grundlage für zukünftige neuroanatomische und –physiologische Untersuchungen auf dem Gebiet der Neurobiologie der Insekten.
KW  - Gehirn
KW  - Neuroethologie
KW  - Neuroanatomie
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Neuronale Plastizität
KW  - Insekten
KW  - Antennallobus
KW  - Glomeruli
KW  - olfaktorische Bahn
KW  - Camponotus floridanus
KW  - Dufverarbeitung
KW  - antennal lobe
KW  - glomeruli
KW  - olfactory pathway
KW  - Campontous floridanus
KW  - odor processing
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-30383
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TY  - THES
A1  - Beer, Katharina
T1  - A Comparison of the circadian clock of highly social bees (\(Apis\) \(mellifera\)) and solitary bees (\(Osmia\) \(spec.\)): Circadian clock development, behavioral rhythms and neuroanatomical characterization of two central clock components (PER and PDF)
T1  - Ein Vergleich der Inneren Uhr von sozialen Bienen (\(Apis\) \(mellifera\)) und solitären Bienen (\(Osmia\) \(spec.\)): Entwicklung der circadianen Uhr, Verhaltensrhythmen und neuroanatomische Beschreibung von zwei zentralen Uhr Komponenten (PER und PDF)
N2  - Summary
Bees, like many other organisms, evolved an endogenous circadian clock, which enables them to foresee daily environmental changes and exactly time foraging flights to periods of floral resource availability. The social lifestyle of a honey bee colony has been shown to influence circadian behavior in nurse bees, which do not exhibit rhythmic behavior when they are nursing. On the other hand, forager bees display strong circadian rhythms. Solitary bees, like the mason bee, do not nurse their offspring and do not live in hive communities, but face the same daily environmental changes as honey bees. Besides their lifestyle mason and honey bees differ in their development and life history, because mason bees overwinter after eclosion as adults in their cocoons until they emerge in spring. Honey bees do not undergo diapause and have a relatively short development of a few weeks until they emerge. In my thesis, I present a comparison of the circadian clock of social honey bees (Apis mellifera) and solitary mason bees (Osmia bicornis and Osmia cornuta) on the neuroanatomical level and behavioral output level.
I firstly characterized in detail the localization of the circadian clock in the bee brain via the expression pattern of two clock components, namely the clock protein PERIOD (PER) and the neuropeptide Pigment Dispersing Factor (PDF), in the brain of honey bee and mason bee. PER is localized in lateral neuron clusters (which we called lateral neurons 1 and 2: LN1 and LN2) and dorsal neuron clusters (we called dorsal lateral neurons and dorsal neurons: DLN, DN), many glia cells and photoreceptor cells. This expression pattern is similar to the one in other insect species and indicates a common ground plan of clock cells among insects. In the LN2 neuron cluster with cell bodies located in the lateral brain, PER is co-expressed with PDF. These cells build a complex arborization network throughout the brain and provide the perfect structure to convey time information to brain centers, where complex behavior, e.g. sun-compass orientation and time memory, is controlled. The PDF arborizations centralize in a dense network (we named it anterio-lobular PDF hub: ALO) which is located in front of the lobula. In other insects, this fiber center is associated with the medulla (accessory medulla: AME). Few PDF cells build the ALO already in very early larval development and the cell number and complexity of the network grows throughout honey bee development. Thereby, dorsal regions are innervated first by PDF fibers and, in late larval development, the fibers grow laterally to the optic lobe and central brain. The overall expression pattern of PER and PDF are similar in adult social and solitary bees, but I found a few differences in the PDF network density in the posterior protocerebrum and the lamina, which may be associated with evolution of sociality in bees.
Secondly, I monitored activity rhythms, for which I developed and established a device to monitor locomotor activity rhythms of individual honey bees with contact to a mini colony in the laboratory. This revealed new aspects of social synchronization and survival of young bees with indirect social contact to the mini colony (no trophalaxis was possible). For mason bees, I established a method to monitor emergence and locomotor activity rhythms and I could show that circadian emergence rhythms are entrainable by daily temperature cycles. Furthermore, I present the first locomotor activity rhythms of solitary bees, which show strong circadian rhythms in their behavior right after emergence. Honey bees needed several days to develop circadian locomotor rhythms in my experiments. I hypothesized that honey bees do not emerge with a fully matured circadian system in the hive, while solitary bees, without the protection of a colony, would need a fully matured circadian clock right away after emergence. Several indices in published work and preliminary studies support my hypothesis and future studies on PDF expression in different developmental stages in solitary bees may provide hard evidence.
N2  - Zusammenfassung
Bienen, sowie viele andere Organismen, evolvierten eine innere circadiane Uhr, die es ihnen ermöglicht, tägliche Umweltveränderungen voraus zu sehen und ihre Foragierflüge zu Tageszeiten durchzuführen, wenn sie möglichst viele Blüten besuchen können. Es zeigte sich, dass der soziale Lebensstil der Honigbiene Einfluss auf das rhythmische Verhalten der Ammenbienen hat, die während der Brutpflege keinen täglichen Rhythmus im Verhalten aufweisen. Sammlerbienen auf der anderen Seite zeigen ein stark rhythmisches Verhalten. Solitäre Bienen, wie die Mauerbiene, betreiben keine Brutpflege und leben nicht in einer Staatengemeinschaft, aber sind den gleichen Umweltveränderungen ausgesetzt. Nicht nur Lebensstil, sondern auch Entwicklung und Lebenszyklus unterscheiden sich zwischen Honig- und Mauerbienen. Mauerbienen überwintern als adulte Insekten in einem Kokon bis sie im Frühjahr schlüpfen. Honigbienen durchleben keine Diapause und schlüpfen nach wenigen Wochen der Entwicklung im Bienenstock. In meiner Dissertation vergleiche ich die circadiane Uhr von sozialen Honigbienen (Apis mellifera) und solitären Mauerbienen (Osmia bicornis und Osmia cornuta) auf Ebene der Neuroanatomie und das durch die innere Uhr verursachte rhythmische Verhalten.
Erstens charakterisierte ich detailliert die Lage der circadianen Uhr im Gehirn von Honig- und Mauerbiene anhand des Expressionsmusters von zwei Uhrkomponenten. Diese sind das Uhrprotein PERIOD (PER) und das Neuropeptid Pigment Dispersing Factor (PDF). PER wird exprimiert in lateralen Neuronen-Gruppen (die wir laterale Neurone 1 und 2 nannten: LN1 und LN2) und dorsalen Neuronen-Gruppen (benannt dorsal laterale Neurone und dorsale Neurone: DLN und DN), sowie in vielen Gliazellen und Fotorezeptorzellen. Dieses Expressionsmuster liegt ähnlich in anderen Insektengruppen vor und deutet auf einen Grundbauplan der Inneren Uhr im Gehirn von Insekten hin. In der LN2 Neuronen-Gruppe, deren Zellkörper im lateralen Gehirn liegen, sind PER und PDF in den gleichen Zellen co-lokalisiert. Diese Zellen bilden ein komplexes Netzwerk aus Verzweigungen durch das gesamte Gehirn und liefern damit die perfekte Infrastruktur, um Zeitinformation an Gehirnregionen weiterzuleiten, die komplexe Verhaltensweisen, wie Sonnenkompass-Orientierung und Zeitgedächtnis, steuern. Alle PDF Neuriten laufen in einer anterior zur Lobula liegenden Region zusammen (sie wurde ALO, anterio-lobular PDF Knotenpunkt, genannt). Dieser Knotenpunkt ist in anderen Insekten mit der Medulla assoziiert und wird akzessorische Medulla (AME) genannt. Wenige PDF Zellen bilden bereits im frühen Larvalstadium diesen ALO und die Zellzahl sowie die Komplexität des Netzwerks wächst die gesamte Entwicklung der Honigbiene hindurch. Dabei werden zuerst die dorsalen Gehirnregionen von PDF Neuronen innerviert und in der späteren Larvalentwicklung wachsen die Neurite lateral in Richtung der optischen Loben und des Zentralgehirns. Das generelle Expressionsmuster von PER und PDF in adulten sozialen und solitären Bienen ähnelt sich stark, aber ich identifizierte kleine Unterschiede in der PDF Netzwerkdichte im posterioren Protocerebrum und in der Lamina. Diese könnten mit der Evolution von sozialen Bienen assoziiert sein.
Zweitens entwickelte und etablierte ich eine Methode, Lokomotionsrhythmen von individuellen Bienen im Labor aufzunehmen, die in Kontakt mit einem Miniaturvolk standen. Diese Methode enthüllte neue Aspekte der sozialen Synchronisation unter Honigbienen und des Überlebens von jungen Bienen, die indirekten sozialen Kontakt zu dem Miniaturvolk hatten (Trophalaxis war nicht möglich). Für Mauerbienen etablierte ich eine Methode Schlupf- und lokomotorische Aktivitätsrhythmik aufzuzeichnen und konnte damit zeigen, dass tägliche Rhythmen im Schlupf durch Synchronisation der circadianen Uhr in Mauerbienen durch Tagestemperatur-Zyklen erzielt werden kann. Des Weiteren präsentiere ich die ersten lokomotorischen Aktivitätsrhythmen von solitären Bienen, die sofort nach ihrem Schlupf einen starken circadianen Rhythmus im Verhalten aufwiesen. Honigbienen brauchten in meinen Experimenten mehrere Tage, um circadiane Rhythmen in Lokomotion zu entwickeln. Ich erstellte die Hypothese, dass Honigbienen zum Zeitpunkt des Schlupfes im Bienenvolk ein noch nicht vollständig ausgereiftes circadianes System besitzen, während solitäre Bienen, die ohne den Schutz eines Volkes sind, direkt nach dem Schlupf eine vollständig ausgereifte Uhr brauchen. Mehrere Hinweise in Publikationen und Vorversuchen unterstützen meine Hypothese. Zukünftige Studien der Entwicklung des PDF Neuronen-Netzwerkes in solitären Bienen unterschiedlicher Entwicklungsstufen könnten dies nachweisen.
KW  - Chronobiologie
KW  - circadian rhythms
KW  - honeybee
KW  - Mauerbiene
KW  - Neuroanatomie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159765
ER  -