TY  - THES
A1  - Yarali, Ayse
T1  - Aspects of predictive learning in the fruit fly
T1  - Aspekte des assoziatives Lernens bei Taufliegen
N2  - Past experience contributes to behavioural organization mainly via learning: Animals learn otherwise ordinary cues as predictors for biologically significant events. This thesis studies such predictive, associative learning, using the fruit fly Drosophila melanogaster. I ask two main questions, which complement each other: One deals with the processing of those cues that are to be learned as predictors for an important event; the other one deals with the processing of the important event itself, which is to be predicted. Do fruit flies learn about combinations of olfactory and visual cues? I probe larval as well as adult fruit flies for the learning about combinations of olfactory and visual cues, using a so called ‘biconditional discrimination’ task: During training, one odour is paired with reinforcement only in light, but not in darkness; the other odour in turn is reinforced only in darkness, but not in light. Thus, neither the odours nor the visual conditions alone predict reinforcement, only combinations of both do. I find no evidence that either larval or adult fruit flies were to solve such task, speaking against a cross-talk between olfactory and visual modalities. Previous studies however suggest such cross-talk. To reconcile these results, I suggest classifying different kinds of interaction between sensory modalities, according to their site along the sensory-motor continuum: I consider an interaction ‘truly’ cross-modal, if it is between the specific features of the stimuli. I consider an interaction ’amodal’ if it instead engages the behavioural tendencies or ‘values’ elicited by each stimulus. Such reasoning brings me to conclude that different behavioural tasks require different kinds of interaction between sensory modalities; whether a given kind of interaction will be found depends on the neuronal infrastructure, which is a function of the species and the developmental stage. Predictive learning of pain-relief in fruit flies Fruit flies build two opposing kinds of memory, based on an experience with electric shock: Those odours that precede shock during training are learned as predictors for punishment and are subsequently avoided; those odours that follow shock during training on the other hand are learned as signals for relief and are subsequently approached. I focus on such relief learning. I start with a detailed parametric analysis of relief learning, testing for reproducibility as well as effects of gender, repetition of training, odour identity, odour concentration and shock intensity. I also characterize how relief memories, once formed, decay. In addition, concerning the psychological mechanisms of relief learning, first, I show that relief learning establishes genuinely associative conditioned approach behaviour and second, I report that it is most likely not mediated by context associations. These results enable the following neurobiological analysis of relief learning; further, they will form in the future the basis for a mathematical model; finally, they will guide the researchers aiming at uncovering relief learning in other experimental systems. Next, I embark upon neurogenetic analysis of relief learning. First, I report that fruit flies mutant for the so called white gene build overall more ‘negative’ memories about an experience with electric shock. That is, in the white mutants, learning about the painful onset of shock is enhanced, whereas learning about the relieving offset of shock is diminished. As they are coherently affected, these two kinds of learning should be in a balance. The molecular mechanism of the effect of white on this balance remains unresolved. Finally, as a first step towards a neuronal circuit analysis of relief learning, I compare it to reward learning and punishment learning. I find that relief learning is distinct from both in terms of the requirement for biogenic amine signaling: Reward and punishment are respectively signalled by octopamine and dopamine, for relief learning, either of these seem dispensible. Further, I find no evidence for roles for two other biogenic amines, tyramine and serotonin in relief learning. Based on these findings I give directions for further research.
N2  - Vergangene Ereignisse beeinflussen die Organisation des Verhaltens hauptsächlich durch das Lernen: Tiere lernen natürlich vorkommende neutrale Reize als Signal für biologisch relevante Ereignisse zu nutzen. Diese Dissertation befasst sich mit derartigen assoziativen Lernvorgängen bei der Taufliege Drosophila melanogaster. Ich stelle zwei, sich ergänzende, grundlegende Fragen: Die eine Frage beschäftigt sich mit der Verarbeitung von Reizen, die als Signal für ein wichtiges Ereignis erlernt werden. Die andere Frage behandelt die Verarbeitung des Ereignisses selbst. Lernen Taufliegen etwas über Kombinationen von olfaktorischen und visuellen Reizen? Sowohl bei larvalen, als auch bei adulten Taufliegen wird das Lernen von Kombinationen aus olfaktorischen und visuellen Stimuli untersucht. Ich verwende einen sogenannten „bikonditionalen Diskriminierungs-Versuchsaufbau“: Während des Trainings wird ein Duft nur im Licht und nicht im Dunkeln mit Reinforcement kombiniert, während ein anderer Duft nur im Dunkeln und nicht im Licht mit Reinforcement kombiniert wird. Somit signalisieren weder die Düfte, noch die visuellen Bedingungen allein das Reinforcement, sondern nur eine Kombination aus Beiden. Ich finde keine Beweise dafür, dass larvale oder adulte Taufliegen eine solche Aufgabe lösen können. Dies spricht gegen eine Interaktion zwischen olfaktorischen und visuellen Modalitäten. Allerdings weisen frühere Studien auf derartige Interaktionen hin. Um meine Ergebnisse mit den bekannten Studien in Einklang zu bringen, ordne ich die unterschiedlichen Interaktionen zwischen den sensorischen Modalitäten nach ihrer Lage entlang des sensorisch-motorischen Kontinuums: Ich bezeichnen eine Interaktion für „echt“ cross-modal, wenn sie zwischen den spezifischen Eigenschaften der beiden Reize stattfindet. Ich halte eine Interaktion für „amodal“, wenn sie zwischen den von den Reizen induzierten Verhaltenstendenzen und „Werten“ stattfindet. Aufgrund dieser Argumentation komme ich zu der Schlussfolgerung, dass unterschiedliche Verhaltensaufgaben unterschiedliche Interaktionen zwischen den sensorischen Modalitäten erfordern. Ob eine Art von Interaktion gefunden wird oder nicht hängt von der neuronalen Vernetzung ab, welche charakteristisch für Art und Entwicklungsstadium ist. Assoziatives Lernen von Schmerz-Erleichterung bei Taufliegen Taufliegen entwickeln zwei unterschiedliche Arten von Gedächtnissen basierend auf Erfahrung mit Elektro-Schock: Düfte, die während des Trainings dem Schock vorausgehen, werden als Bestrafungssignale gelernt und deshalb vermieden. Düfte, die während des Trainings auf den Schock folgen, werden als Erleichterungssignale gelernt und deshalb bevorzugt. Ich beschäftige mich mit der zweiten Art dieses assoziativen Lernens, das ich als „Erleichterungslernen“ bezeichne. Ich beginne mit einer detaillierten parametrischen Analyse des Erleichterungslernens. Die Reproduzierbarkeit, sowie die Einflüsse des Geschlechts, der Anzahl an Trainingswiederholungen, der Duftintensität, der Duftkonzentration und der Schockintensität werden geprüft. Ich teste, wie das Erleichterungsgedächtnis, nachdem es gebildet wurde, wieder gelöscht wird. Des Weiteren gehe ich zwei wichtigen Fragen zu den psychologischen Mechanismen des Erleichterungslernen nach: Zum einen zeige ich, dass das Erleichterungslernen echtes assoziativ konditioniertes Annäherungsverhalten etabliert. Zum anderen zeige ich, dass vorausgegangenes Kontext-Schock Training das folgende Erleichterungslernen nicht beeinflusst. Das Erleichterungslernen wird also nicht durch Kontextassoziation vermittelt. Diese Ergebnisse erlauben die folgende neurobiologische Analyse des Erleichterungslernens. Außerdem werden sie in Zukunft als Grundlage für ein mathematisches Modell des Erleichterungslernens dienen. Schließlich werden die Forscher/innen, die das Erleichterungslernen in anderen experimentellen Systemen untersuchen, von diesen parametrischen Erkenntnissen profitieren. In einer neurobiologischen Analyse des Erleichterungslernens zeige ich, dass der Verlust der Funktion des sogenannten white Gens die beiden unterschiedlichen Arten von Schock-Induziertem Lernen zusammenhängend beeinflusst: Das Bestrafungslernen wird verstärkt und das Erleichterungslernen wird abgeschwächt. Auf Grund dieses Ergebnisses schlagen ich vor, dass sich diese zwei Arten von Lernen in einem Gleichgewicht befinden sollen, welches vom white Gen beeinflusst wird. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen eines solchen Gleichgewichts sind noch nicht bekannt. Schließlich vergleiche ich das Erleichterungslernen mit dem Belohnungslernen und dem Bestrafungslernen. Ich zeige, dass das Erleichterungslernen anders ist als beide: Bestrafung und Belohnung werden entsprechend von Dopamin und Octopamin vermittelt. Für das Erleichterungslernen sind beide diese biogenen Aminen unnötig. Ebenso finde ich beim Erleichterungslernen keinen Beleg für die Rolle von zwei weiteren Aminen: Tyramin und Serotonin. Aufgrund dieser Ergebnisse schlage ich vor weitere Forschungsrichtungen.
KW  - Lernen
KW  - Drosophila
KW  - Neurogenetik
KW  - Lernverhalten
KW  - olfaktorik
KW  - sehen
KW  - erleichterungslernen
KW  - associative learning
KW  - drosophila
KW  - neurogenetic analyses
KW  - behavioural analyses
KW  - relief
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-28741
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Herbort, Oliver
A1  - Butz, Martin V.
T1  - Too good to be true? Ideomotor theory from a computational perspective
N2  - In recent years, Ideomotor Theory has regained widespread attention and sparked the development of a number of theories on goal-directed behavior and learning. However, there are two issues with previous studies’ use of Ideomotor Theory. Although Ideomotor Theory is seen as very general, it is often studied in settings that are considerably more simplistic than most natural situations. Moreover, Ideomotor Theory’s claim that effect anticipations directly trigger actions and that action-effect learning is based on the formation of direct action-effect associations is hard to address empirically. We address these points from a computational perspective. A simple computational model of Ideomotor Theory was tested in tasks with different degrees of complexity.The model evaluation showed that Ideomotor Theory is a computationally feasible approach for understanding efficient action-effect learning for goal-directed behavior if the following preconditions are met: (1) The range of potential actions and effects has to be restricted. (2) Effects have to follow actions within a short time window. (3) Actions have to be simple and may not require sequencing. The first two preconditions also limit human performance and thus support Ideomotor Theory. The last precondition can be circumvented by extending the model with more complex, indirect action generation processes. In conclusion, we suggest that IdeomotorTheory offers a comprehensive framework to understand action-effect learning. However, we also suggest that additional processes may mediate the conversion of effect anticipations into actions in many situations.
KW  - Psychologie
KW  - ideomotor theory
KW  - associative learning
KW  - computational model
KW  - planning
KW  - consolidation
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-76383
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bertolucci, Franco
T1  - Operant and classical learning in Drosophila melanogaster: the ignorant gene (ign)
T1  - Operantes und klassisches Lernen in Drosophila melanogaster: das ignorant Gen (ign)
N2  - One of the major challenges in neuroscience is to understand the neuronal processes that underlie learning and memory. For example, what biochemical pathways underlie the coincidence detection between stimuli during classical conditioning, or between an action and its consequences during operant conditioning? In which neural substructures is this information stored? How similar are the pathways mediating these two types of associative learning and at which level do they diverge? The fly Drosophila melanogaster is an appropriate model organism to address these questions due to the availability of suitable learning paradigms and neurogenetic tools. It permits an extensive study of the functional role of the gene S6KII which in Drosophila had been found to be differentially involved in classical and operant conditioning (Bertolucci, 2002; Putz et al., 2004). Genomic rescue experiments showed that olfactory conditioning in the Tully machine, a paradigm for Pavlovian olfactory conditioning, depends on the presence of an intact S6KII gene. This rescue was successfully performed on both the null mutant and a partial deletion, suggesting that the removal of the phosphorylating unit of the kinase was the main cause of the functional defect. The GAL4/UAS system was used to achieve temporal and spatial control of S6KII expression. It was shown that expression of the kinase during the adult stage was essential for the rescue. This finding ruled out a developmental origin of the mutant learning phenotype. Furthermore, targeted spatial rescue of S6KII revealed a requirement in the mushroom bodies and excluded other brain structures like the median bundle, the antennal lobes and the central complex. This pattern is very similar to the one previously identified with the rutabaga mutant (Zars et al., 2000). Experiments with the double mutant rut, ign58-1 suggest that both rutabaga and S6KII operate in the same signalling pathway. Previous studies had already shown that deviating results from operant and classical conditioning point to different roles for S6KII in the two types of learning (Bertolucci, 2002; Putz, 2002). This conclusion was further strengthened by the defective performance of the transgenic lines in place learning and their normal behavior in olfactory conditioning. A novel type of learning experiment, called “idle experiment”, was designed. It is based on the conditioning of the walking activity and represents a purely operant task, overcoming some of the limitations of the “standard” heat-box experiment, a place learning paradigm. The novel nature of the idle experiment allowed exploring “learned helplessness” in flies, unveiling astonishing similarities to more complex organisms such as rats, mice and humans. Learned helplessness in Drosophila is found only in females and is sensitive to antidepressants.
N2  - Eine der größten Herausforderungen in der Neurobiologie ist es, die neuronalen Prozesse zu verstehen, die Lernen und Gedächtnis zugrundeliegen. Welche biochemischen Pfade liegen z.B. der Koinzidenzdetektion von Reizen (klassische Konditionierung) oder einer Handlung und ihren Konsequenzen (operante Konditionierung) zugrunde? In welchen neuronalen Unterstrukturen werden diese Informationen gespeichert? Wie ähnlich sind die Stoffwechselwege, die diese beiden Arten des assoziativen Lernens vermitteln und auf welchem Niveau divergieren sie? Drosophila melanogaster ist wegen der Verfügbarkeit von Lern-Paradigmen und neurogenetischen Werkzeugen ein geeigneter Modell-Organismus, zum diese Fragen zu adressieren. Er ermöglicht eine umfangreiche Studie der Funktion des Gens S6KII, das in der Taufliege in klassischer und operanter Konditionierung unterschiedlich involviert ist (Bertolucci, 2002; Putz et al., 2004). Rettungsexperimenten zeigen, dass die olfaktorische Konditionierung in der Tully Maschine (ein klassisches, Pawlow’sches Konditionierungsparadigma) von dem Vorhandensein eines intakten S6KII Gens abhängt. Die Rettung war sowohl mit einer vollständigen, als auch einer partiellen Deletion erfolgreich und dies zeigt, dass der Verlust der phosphorylierenden Untereinheit der Kinase die Hauptursache des Funktionsdefektes war. Das GAL4/UAS System wurde benutzt, um die S6KII Expression zeitlich und räumlich zu steuern. Es wurde gezeigt, dass die Expression der Kinase während des adulten Stadiums für die Rettung hinreichend war. Dieser Befund schließt eine Entwicklungsstörung als Ursache für den mutanten Phänotyp aus. Außerdem zeigte die gezielte räumliche Rettung von S6KII die Notwendigkeit der Pilzkörper und schloss Strukturen wie das mediane Bündel, die Antennalloben und den Zentralkomplex aus. Dieses Muster ist dem vorher mit der rutabaga Mutation identifizierten sehr ähnlich (Zars et al., 2000). Experimente mit der Doppelmutante rut, ign58-1 deuten an, dass rutabaga und S6KII im gleichen Signalweg aktiv sind. Vorhergehende Studien hatten bereits gezeigt, dass die unterschiedlichen Ergebnisse bei operanter und klassischer Konditionierung auf verschiedenen Rollen für S6KII in den zwei Arten des Lernens hindeuten (Bertolucci, 2002; Putz, 2002). Diese Schlussfolgerung wurde durch den mutanten Phänotyp der transgenen Linien in der Positionskonditionierung und ihr wildtypisches Verhalten in der klassischen Konditionierung zusätzlich bekräftigt. Eine neue Art von Lern-Experiment, genannt „Idle Experiment“, wurde entworfen. Es basiert auf der Konditionierung der Laufaktivität, stellt eine operante Aufgabenstellung dar und überwindet einige der Limitationen des „Standard“ Heat-Box Experimentes. Die neue Art des Idle Experimentes erlaubt es, „gelernte Hilflosigkeit“ in Fliegen zu erforschen, dabei zeigte sich eine erstaunliche Ähnlichkeit zu den Vorgängen in komplizierteren Organismen wie Ratten, Mäusen oder Menschen. Gelernte Hilflosigkeit in der Taufliege wurde nur in den Weibchen beobachtet und wird von Antidepressiva beeinflusst.
KW  - Klassische Konditionierung
KW  - Instrumentelle Konditionierung
KW  - Konditionierung
KW  - Operante Konditionierung
KW  - Lernen
KW  - Räumliches Gedächtnis
KW  - Assoziatives Gedächtnis
KW  - Gedächtnis
KW  - MAP-Kinase
KW  - Drosophila
KW  - Taufliege
KW  - Gelernte Hilflosigkeit
KW  - CREB
KW  - S6KII
KW  - p90RSK
KW  - RSK
KW  - p90 ribosomal S6 kinase
KW  - ribosomal S6 kinase II
KW  - operant conditioning
KW  - classical conditioning
KW  - associative learning
KW  - learned helplessness
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-33984
ER  -