TY  - THES
A1  - Schmitt, Franziska
T1  - Neuronal basis of temporal polyethism and sky-compass based navigation in \(Cataglyphis\) desert ants
T1  - Die neuronale Grundlage von Alterspolyethismus und Himmelskompassnavigation in der Wüstenameise \(Cataglyphis\)
N2  - Desert ants of the genus Cataglyphis (Formicinae) are widely distributed in arid
areas of the palearctic ecozone. Their habitats range from relatively cluttered environments in the Mediterranean area to almost landmark free deserts. Due to their
sophisticated navigational toolkit, mainly based on the sky-compass, they were
studied extensively for the last 4 decades and are an exceptional model organism
for navigation. Cataglyphis ants exhibit a temporal polyethism: interior workers
stay inside the dark nest and serve as repletes for the first ∼2 weeks of their adult
life (interior I). They then switch to nursing and nest maintenance (interior II)
until they transition to become day-active outdoor foragers after ∼4 weeks. The
latter switch in tasks involves a transition phase of ∼2-3 days during which the
ants perform learning and orientation walks. Only after this last phase do the ants
start to scavenge for food as foragers.
In this present thesis I address two main questions using Cataglyphis desert ants
as a model organism:
1. What are the underlying mechanisms of temporal polyethism?
2. What is the neuronal basis of sky-compass based navigation in Cataglyphis
ants?
Neuropeptides are important regulators of insect physiology and behavior and as
such are promising candidates regarding the regulation of temporal polyethism in
Cataglyphis ants. Neuropeptides are processed from large precursor proteins and undergo substantial post-translational modifications. Therefore, it is crucial to biochemically identify annotated peptides. As hardly any peptide data are available
for ants and no relevant genomic data has been recorded for Cataglyphis, I started
out to identify the neuropeptidome of adult Camponotus floridanus (Formicinae)
workers (manuscript 1). This resulted in the first neuropeptidome described in an
ant species – 39 neuropeptides out of 18 peptide families. Employing a targeted
approach, I identified allatostatin A (AstA), allatotropin (AT), short neuropeptide
F (sNPF) and tachykinin (TK) using mass spectrometry and immunohistology to
investigate the distribution of AstA, AT and TK in the brain (manuscript 2). All
three peptides are localized in the central complex, a brain center for sensory integration and high-order control of locomotion behavior. In addition, AstA and
TK were also found in visual and olfactory input regions and in the mushroom
bodies, the centers for learning and memory formation. Comparing the TK immunostaining in the brain of 1, 7 and 14 days old dark kept animals revealed that
the distribution in the central complex changes, most prominently in the 14 day
old group. In the Drosophila central complex TK modulates locomotor activity
levels. I therefore hypothesize that TK is involved in the internal regulation of the
interior I–interior II transition which occurs after ∼2 weeks of age.
I designed a behavioral setup to test the effect of neuropeptides on the two traits:
’locomotor activity level’ and ’phototaxis’ (manuscript 3). The test showed that
interior I ants are less active than interior II ants, which again are less active
than foragers. Furthermore, interior ants are negatively phototactic compared to
a higher frequency of positive phototaxis in foragers. Testing the influence of AstA
and AT on the ants’ behavior revealed a stage-specific effect: while interior I behavior is not obviously influenced, foragers become positively phototactic and more
active after AT injection and less active after AstA injection. I further tested the
effect of light exposure on the two behavioral traits of interior workers and show that it rises locomotor activity and results in decreased negative phototaxis in
interior ants. However, both interior stages are still more negatively phototactic
than foragers and only the activity level of interior II ants is raised to the forager
level. These results support the hypothesis that neuropeptides and light influence
behavior in a stage-specific manner.
The second objective of this thesis was to investigate the neuronal basis of skycompass navigation in Cataglyphis (manuscript 4). Anatomical localization of the
sky-compass pathway revealed that its general organization is highly similar to
other insect species. I further focused on giant synapses in the lateral complex,
the last relay station before sky-compass information enters the central complex.
A comparison of their numbers between newly eclosed ants and foragers discloses
a rise in synapse numbers from indoor worker to forager, suggesting task-related
synaptic plasticity in the sky-compass pathway. Subsequently I compared synapse
numbers in light preexposed ants and in dark-kept, aged ants. This experiment
showed that light as opposed to age is necessary and sufficient to trigger this rise
in synapse number. The number of newly formed synapses further depends on the
spectral properties of the light to which the ants were exposed to.
Taken together, I described neuropeptides in C. floridanus and C. fortis, and provided first evidence that they influence temporal polyethism in Cataglyphis ants.
I further showed that the extent to which neuropeptides and light can influence
behavior depends on the animals’ state, suggesting that the system is only responsive under certain circumstances. These results provided first insight into the
neuronal regulation of temporal polyethism in Cataglyphis. Furthermore, I characterized the neuronal substrate for sky-compass navigation for the first time in
Cataglyphis. The high level of structural synaptic plasticity in this pathway linked
to the interior–forager transition might be particularly relevant for the initial calibration of the ants’ compass system.
N2  - Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis sind weit verbreitet in ariden Gebieten
der paläarktischen Ökozone. Die von ihnen bewohnten Habitate reichen von landmarkenreichen Arealen im Mittelmeerraum, zu beinahe landmarkenfreien Wüstengebieten. Aufgrund ihres hochentwickelten Navigationssystems, welches größtenteils auf dem Himmelskompass basiert, wurden sie in den letzten 4 Jahrzehnten
extensiv studiert und sind ein einzigartiges Modellsystem für Navigation. Cataglyphis weisen einen alterskorrelierten Polyethismus auf: Innendienstler dienen
als Speichertiere für die ersten ∼2 Wochen ihres adulten Lebens (Interior I). Sie
gehen daraufhin zu Brutpflege und Nestbau (Interior II) über bis sie nach ∼4
Wochen zu tagaktiver Furagiertätitkeit außerhalb ihres Nestes wechseln. Dieser
letzte Übergang dauert ∼2-3 Tage und wird von den Ameisen genutzt, um Lernund Orientierungsläufe durchzuführen.
In der vorliegenden Arbeit befasse ich mich vor allem mit zwei Fragen, die ich mit
Hilfe von Cataglyphis als Modellorganismus beantworten möchte:
1. Welches sind die zugrunde liegenden Mechanismen des Alterspolyethismus?
2. Was ist die neuronale Grundlage von Navigation, die auf dem Himmelskompass basiert?
Neuropeptide sind bedeutende Regulatoren der Physiologie und des Verhaltens von
Insekten und als solche vielversprechende Kandidaten im Hinblick auf die Regulation des Alterspolyethismus in Cataglyphis Ameisen. Neuropeptide werden aus größeren Vorläuferproteinen herausgeschnitten und posttranslational stark modifiziert. Daher ist es wichtig, annotierte Peptide auch biochemisch zu identifizieren.
Da für Ameisen kaum Peptiddaten zur Verfügung stehen und es zudem keine
relevanten genomischen Daten für Cataglyphis gibt, identifizierte ich zunächst
das Neuropeptidom adulter Camponotus floridanus (Formicinae) Arbeiterinnen
(Manuskript 1). Daraus resultierte das erste Neuropeptidom, das für eine Ameisenart beschrieben wird—39 Neuropeptide aus 18 Peptidfamilien. In einer weiteren
Studie identifizierte ich gezielt die Neuropeptidfamilien Allatostatin A (AstA), Allatotropin (AT), das kurze Neuropeptid F (sNPF) und Tachykinin (TK) mittels
Massenspektroskopie und untersuchte die Verteilung von AstA, AT und TK im
Gehirn mit Hilfe der Immunhistologie (Manuskript 2). Alle drei Peptide sind im
Zentralkomplex lokalisiert, dem Gehirnzentrum welches sensorische Eingänge integriert und in einer übergeordneten Rolle Lokomotorverhalten steuert. AstA und
TK sind zudem in den visuellen und olfaktorischen Eingangsregionen, sowie den
Pilzkörpern, den Zentren für Lernen und Gedächtnisbildung, zu finden. Ein Vergleich der TK-Immunfärbung im Gehirn von 1, 7 und 14 Tage alten im Dunkeln
gehaltenen Tieren zeigt, dass sich die Verteilung im Zentralkomplex verändert—
dies ist besonders prominent in der 14 Tage alten Gruppe. In Drosophila moduliert
TK im Zentralkomplex Lokomotoraktivität. Basierend darauf stelle ich die Hypothese auf, dass TK in der internen Regulierung des Übergangs von Interior I zu
Interior II involviert ist, welchen die Tiere im Alter von ∼2 Wochen durchlaufen.
Für eine dritte Studie konstruierte ich ein Verhaltenssetup um den Einfluss von
Neuropeptiden und Licht auf die beiden Verhaltensmerkmale ’Lokomotoraktivität’ und ’Phototaxis’ zu testen (Manuskript 3). Der Test zeigte, dass Interior
I Ameisen weniger aktiv sind als Interior II Ameisen, welche wiederum weniger
aktiv sind als Furageure. Zudem sind Interior Ameisen negativ phototaktisch, verglichen mit einer häufiger zu beobachtenden positiven Phototaxis bei Furageuren. Im Test zeigte sich auch, dass der Einfluss von AstA und AT stadiumsspezifisch ist:
während das Verhalten von Interior I Tieren nicht offensichtlich beeinflusst wird,
werden Furageure durch die Injektion von AT positiv phototaktisch, sowie aktiver
und AstA-Injektion führt zu geminderter Lokomotoraktivität. Darüber hinaus
testete ich den Lichteinfluss auf beide Verhaltensmerkmale in den Innendienststadien und zeige, dass er Lokomotoraktivität steigert und in einer geminderten
negativen Phototaxis resultiert. Beide Innendienststadien sind jedoch weiterhin
negativer phototaktisch als Furageure und nur die Lokomotoraktivtät von Interior II Ameisen wird auf das Niveau von Furageuren angehoben. Diese Ergebnisse
stützen die Hypothese, dass Neuropeptide und Licht stadiumsspezifisch Verhalten
beeinflussen.
Der zweite Aspekt dieser Thesis war es, die neuronale Grundlage der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis aufzuklären (Manuskript 4). Die neuroanatomische
Lokalisation der Himmelskompasssehbahn zeigt, dass die allgemeine Organisation
dieser neuronalen Bahn der bei bisher untersuchten anderen Insekten stark ähnelt. Ich habe mich daraufhin auf Riesensynapsen im lateralen Komplex konzentriert, der letzten Verschaltungsstation ehe die Himmelskompassinformation in
den Zentralkomplex übertragen wird. Ein Vergleich zwischen der Synapsenzahl
in frisch geschlüpfte Ameisen und erfahrenen Furageueren zeigte einen Anstieg der
Synapsenzahl von Innendienst zu Furaguer, was aufgabenabhängige synaptische
Plastizität in der Himmelskompasssehbahn suggeriert. In einem weiteren Versuch
verglich ich die Riesensynapsenzahlen lichtexponierter Tiere und dunkel gehaltener, gealteter Tiere. Dieses Experiment zeigte, dass der Zuwachs an Riesensynapsen durch den Lichteinfluss ausgelöst wird und keinen altersabhängigen Prozess
darstellt. Zudem verändert sich die Anzahl der neu gebildeten Riesensynapsen in
Abhängigkeit von den spektralen Eigenschaften des Lichts, dem die Ameisen ausgesetzt sind. Zusammengefasst beschrieb ich in dieser Thesis Neuropeptide in C. floridanus und
Cataglyphis und lieferte erste Evidenz, dass diese den Alterspolyethismus in Cataglyphis beeinflussen. Zudem zeigte ich, dass das Ausmaß in dem Neuropeptide
und Lichtexposition Verhalten beeinflussen können, stadiumsspezifisch ist. Dies
suggeriert, dass das System nur unter bestimmten Bedingungen auf externe Einflüsse reagiert. Diese Ergebnisse lieferten erste wichtige Einblicke in die neuronale
Grundlage von Alterspolyethismus in Cataglyphis. Zudem charakterisierte ich erstmals das neuronale Substrat der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis. Das
hohe Maß an synaptischer Plastizität in dieser Sehbahn beim Übergang von Innenzu Außendienst, könnte besondere Relevanz für die initiale Kalibrierung des Kompasssystems haben.
KW  - Cataglyphis
KW  - Neuroethologie
KW  - Neuropeptide
KW  - Neuronale Plastizität
KW  - Soziale Insekten
KW  - Verhaltensplastizität
KW  - Himmelskompass
KW  - Riesensynapsen
KW  - Neuropeptidom
KW  - Neuromodulation
KW  - Arbeitsteilung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142049
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TY  - THES
A1  - Sommerlandt, Frank M. J.
T1  - Mechanisms of visual memory formation in bees: About immediate early genes and synaptic plasticity
T1  - Mechanismen der visuellen Gedächtnisbildung bei Bienen: Über unmittelbar früh exprimierte Gene und synaptische Plastizität
N2  - Animals form perceptual associations through processes of learning, and retain that information through mechanisms of memory. Honeybees and bumblebees are classic models for insect perception and learning, and despite their small brains with about one million neurons, they are organized in highly social colonies and possess an astonishing rich behavioral repertoire including navigation, communication and cognition. Honeybees are able to harvest hundreds of morphologically divergent flower types in a quick and efficient manner to gain nutrition and, back in the hive, communicate discovered food sources to nest mates. To accomplish such complex tasks, bees must be equipped with diverse sensory organs receptive to stimuli of different modalities and must be able to associatively learn and memorize the acquired information. Particularly color vision plays a prominent role, e.g. in navigation along landmarks and when bees identify inflorescences by their color signals. Once acquired, bees are known to retain visual information for days or even months. Numerous studies on visual perception and color vision have been conducted in the past decades and largely revealed the information processing pathways in the brain. In contrast, there are no data available on how the brain may change in the course of color learning experience and whether pathways differ for coarse and fine color learning. Although long-term memory (LTM) storage is assumed to generally include reorganization of the neuronal network, to date it is unclear where in the bee brain such changes occur in the course of color learning and whether visual memories are stored in one particular site or decentrally distributed over different brain domains. The present dissertation research aimed to dissect the visual memory trace in bees that is beyond mere stimulus processing and therefore two different approaches were elaborated: first, the application of immediate early genes (IEG) as genetic markers for neuronal activation to localize early processes underlying the formation of a stable LTM. Second, the analysis of late consequences of memory formation, including synaptic reorganization in central brain areas and dependencies of color discrimination complexity. 
Immediate early genes (IEG) are a group of rapidly and transiently expressed genes that are induced by various types of cellular stimulation. A great number of different IEGs are routinely used as markers for the localization of neuronal activation in vertebrate brains. The present dissertation research was dedicated to establish this approach for application in bees, with focus on the candidate genes Amjra and Amegr, which are orthologous to the two common vertebrate IEGs c-jun and egr-1. First the general requirement of gene transcription for visual LTM formation was proved. Bumblebees were trained in associative proboscis extension response (PER) conditioning to monochromatic light and subsequently injected with an inhibitor of gene transcription. Memory retention tests at different intervals revealed that gene transcription is not required for the formation of a mid-term memory, but for stable LTM. Next, the appliance of the candidate genes was validated. Honeybees were exposed to stimulation with either alarm pheromone or a light pulse, followed by qPCR analysis of gene expression. Both genes differed in their expression response to sensory exposure: Amjra was upregulated in all analyzed brain parts (antennal lobes, optic lobes and mushroom bodies, MB), independent from stimulus modality, suggesting the gene as a genetic marker for unspecific general arousal. In contrast, Amegr was not significantly affected by mere sensory exposure. Therefore, the relevance of associative learning on Amegr expression was assessed. Honeybees were trained in visual PER conditioning followed by a qPCR-based analysis of the expression of all three Amegr isoforms at different intervals after conditioning. No learning-dependent alteration of gene expression was observed. However, the presence of AmEgr protein in virtually all cerebral cell nuclei was validated by immunofluorescence staining. The most prominent immune-reactivity was detected in MB calyx neurons.
Analysis of task-dependent neuronal correlates underlying visual long-term memory was conducted in free-flying honeybees confronted with either absolute conditioning to one of two perceptually similar colors or differential conditioning with both colors. Subsequent presentation of the two colors in non-rewarded discrimination tests revealed that only bees trained with differential conditioning preferred the previously learned color. In contrast, bees of the absolute conditioning group chose randomly among color stimuli. To investigate whether the observed difference in memory acquisition is also reflected at the level of synaptic microcircuits, so called microglomeruli (MG), within the visual domains of the MB calyces, MG distribution was quantified by whole-mount immunostaining three days following conditioning. Although learning-dependent differences in neuroarchitecture were absent, a significant correlation between learning performance and MG density was observed.
Taken together, this dissertation research provides fundamental work on the potential use of IEGs as markers for neuronal activation and promotes future research approaches combining behaviorally relevant color learning tests in bees with examination of the neuroarchitecture to pave the way for unraveling the visual memory trace.
N2  - Tiere erlangen Informationen über die Umwelt durch Lernprozesse und speichern diese Informationen durch Mechanismen der Gedächtnisbildung. Honigbienen und Hummeln stellen klassische Modellorganismen zur Untersuchung von sensorischer Perzeption und Lernvorgängen dar. Trotz ihres kleinen, lediglich etwa eine Millionen Nervenzellen umfassenden Gehirns sind diese hoch sozialen Bienen zu erstaunlichen Verhaltensleistungen fähig, welche komplexe Navigation, Kommunikation und Kognition einschließen. Auf der Suche nach Futterquellen navigieren Honigbienen über große Distanzen, ohne dabei die Lage ihres Nestes aus dem Gedächtnis zu verlieren. Außerdem sammeln sie hoch effizient Futter an zahlreichen morphologisch divergenten Blütentypen und kommunizieren neu erschlossene Futterstellen anderen Sammelbienen im Nest. Zur Bewältigung solch komplexer Aufgaben stehen Bienen diverse sensorische Organe zur Verfügung, womit sie Reize unterschiedlicher Modalitäten wahrnehmen und verarbeiten können. Außerdem sind sie zu assoziativem Lernen und dem Speichern und Abrufen von Informationen in der Lage. Insbesondere der Sehsinn spielt für Bienen eine große Rolle, wenn sie sich beispielsweise anhand von Landmarken orientieren oder farbige Blütensignale wahrnehmen. Einmal erlernte visuelle Informationen können mitunter über Tage und Monate hinweg gespeichert werden. Während die Aufnahme und Verarbeitung von Farbinformationen im Bienengehirn bereits gut untersucht wurde, ist über räumliche und zeitliche Abläufe der Speicherung solcher Informationen wenig bekannt. Mit der vorliegenden Arbeit wurde versucht, experimentellen Zugang zur visuellen Gedächtnisspur in Bienen zu bekommen. Die Bildung eines Langzeitgedächtnisses (LZG) geht im Allgemeinen mit Umstrukturierungsprozessen im neuronalen Netzwerk einher. Bislang ist es jedoch unklar, wo im Gehirn diese Veränderungen im Laufe des Farbenlernens stattfinden und ob Informationen in einem zentralen Bereich gespeichert oder dezentral über verschiedene Gehirndomänen verteilt werden. Unterschiedliche Verarbeitungsbahnen werden für das Erlernen grober und feiner Farbunterschiede vermutet. Mit der vorliegenden Arbeit wurden zwei Versuchsansätze gewählt, womit die Lage des visuellen Gedächtnisses untersucht werden sollte: Zum einen wurde die Eignung unmittelbar exprimierter Gene (immediate early genes, IEG) als genetische Marker für neuronale Aktivität untersucht, um damit frühe Prozesse der Bildung eines LZG lokalisieren zu können. Zum anderen wurden Spätfolgen der Bildung eines LZG auf die Organisation synaptischer Netzwerke im zentralen Gehirn untersucht und der Einfluss der Komplexität einer Aufgabenstellung auf diese Organisation betrachtet.
IEGs sind eine Gruppe von Genen, die in Antwort auf zelluläre Stimulierung schnell und vorübergehend exprimiert werden. Zahlreiche IEGs werden bereits routinemäßig als Marker für neuronale Aktivierung im Gehirn von Vertebraten eingesetzt und mit der vorliegenden Arbeit sollten die Möglichkeiten evaluiert werden, diesen Ansatz auch in Bienen nutzbar zu machen. Hierzu wurde zunächst ermittelt, ob die Transkription von Genen überhaupt für die Ausbildung eines visuellen LZG von Nöten ist. Hummeln wurden mit Hilfe der Proboscis-Streckreaktion (PER) trainiert, monochromatisches Licht mit Zuckerbelohnung zu assoziieren. Nach erfolgtem Training wurde die Gentranskription pharmazeutisch gehemmt und die Gedächtnisleistung der Hummeln zu zwei Zeitpunkten ermittelt, die das Mittelzeitgedächtnis (MZG) bzw. LZG repräsentieren. Es zeigte sich, dass Gentranskription nicht für die Ausbildung des MZG, jedoch für die des LZG unabdingbar ist. Als nächstes wurden mögliche Kandidatengene validiert. Honigbienen wurden entweder mit Alarmpheromon oder einem Lichtimpuls stimuliert. Die Bienengehirne wurden anschließend seziert und mittels qPCR die Expression von Amjra und Amegr untersucht, zweier Gene, deren orthologe Vertreter c-jun bzw. egr-1 gebräuchliche IEGs in Vertebraten darstellen. Während durch beide Reize die Expression von Amjra in allen Gehirnbereichen (Antenalloben, optische Loben und Pilzkörper) induziert wurde, konnten keine Veränderungen in der Expression von Amegr festgestellt werden. Daraufhin wurde überprüft, ob die Induktion von Amegr möglicherweise abhängig von assoziativen Lernvorgängen ist. Honigbienen wurden mittels PER visuell konditioniert, bevor die Pilzkörper zu verschiedenen Zeiten nach dem Training isoliert und mittels qPCR auf die Expression von Amegr Isoformen untersucht wurden. Hierbei konnte kein Lerneffekt auf die Amegr-Expression nachgewiesen werden.
Die Analyse Aufgaben-abhängiger neuronaler Korrelate, die der Bildung des visuellen LZG zugrunde liegen, wurde anhand frei-fliegender Honigbienen durchgeführt. Diese wurden entweder absolut konditioniert auf eine von zwei ähnlichen Farben, oder differentiell auf die Diskriminierung beider Farben. Bei der anschließenden unbelohnten Präsentation beider Farben bevorzugte nur die differentiell trainierte Gruppe die zuvor gelernte Farbe, während absolut konditionierte Bienen zufällig wählten. Um zu ermitteln, ob die beobachteten Unterschiede im Verhalten auch auf neuroanatomischer Ebene repräsentiert werden, wurden alle Bienen nach drei Tagen seziert und mittels Immunfärbung synaptische Komplexe, so genannte Microglomeruli, im visuelle Informationen verarbeitenden Bereich der Pilzkörper quantifiziert. Der Vergleich zwischen den Versuchsgruppen legte keine signifikanten Unterschiede in der neuronalen Architektur offen, jedoch wurden mögliche Zusammenhänge zwischen Lernleistung und Microglomeruli-Dichte gefunden.
Die vorliegende Arbeit bietet grundlegende Ergebnisse zum Potential von IEGs als Marker neuronaler Aktivität und unterstreicht die Bedeutung integrativer Versuchsansätze, welche Verhaltensuntersuchungen mit der molekularen und histologischen Analyse des Nervensystems verbinden, um letztlich das visuelle Gedächtnis im Bienengehirn lokalisieren zu können.
KW  - Biene
KW  - Langzeitgedächtnis
KW  - Bestäubung
KW  - Farbensehen
KW  - insect visual learning
KW  - long-term memory formation
KW  - mushroom body calyx microglomeruli
KW  - neuronal activation
KW  - IEG
KW  - Bienen Dressur Lernen
KW  - Pilzkörper
KW  - visuelles Langzeitgedächtnis
KW  - Genexpression
KW  - Bestäubung Pollination Honigbiene Hummel
KW  - Soziale Insekten
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-136997
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