TY  - THES
A1  - Brembs, Björn
T1  - An Analysis of Associative Learning in Drosophila at the Flight Simulator
T1  - Eine Ananlyse des assoziativen Lernens von Drosophila im Flugsimulator
N2  - Most natural learning situations are of a complex nature and consist of a tight conjunction of the animal's behavior (B) with the perceived stimuli. According to the behavior of the animal in response to these stimuli, they are classified as being either biologically neutral (conditioned stimuli, CS) or important (unconditioned stimuli, US or reinforcer). A typical learning situation is thus identified by a three term contingency of B, CS and US. A functional characterization of the single associations during conditioning in such a three term contingency has so far hardly been possible. Therefore, the operational distinction between classical conditioning as a behavior-independent learning process (CS-US associations) and operant conditioning as essentially behavior-dependent learning (B-US associations) has proven very valuable. However, most learning experiments described so far have not been successful in fully separating operant from classical conditioning into single-association tasks. The Drosophila flight simulator in which the relevant behavior is a single motor variable (yaw torque), allows for the first time to completely separate the operant (B-US, B-CS) and the classical (CS-US) components of a complex learning situation and to examine their interactions. In this thesis the contributions of the single associations (CS-US, B-US and B-CS) to memory formation are studied. Moreover, for the first time a particularly prominent single association (CS-US) is characterized extensively in a three term contingency. A yoked control shows that classical (CS-US) pattern learning requires more training than operant pattern learning. Additionally, it can be demonstrated that an operantly trained stimulus can be successfully transferred from the behavior used during training to a new behavior in a subsequent test phase. This result shows unambiguously that during operant conditioning classical (CS-US) associations can be formed. In an extension to this insight, it emerges that such a classical association blocks the formation of an operant association, which would have been formed without the operant control of the learned stimuli. Instead the operant component seems to develop less markedly and is probably merged into a complex three-way association. This three-way association could either be implemented as a sequential B-CS-US or as a hierarchical (B-CS)-US association. The comparison of a simple classical (CS-US) with a composite operant (B, CS and US) learning situation and of a simple operant (B-US) with another composite operant (B, CS and US) learning situation, suggests a hierarchy of predictors of reinforcement. Operant behavior occurring during composite operant conditioning is hardly conditioned at all. The associability of classical stimuli that bear no relation to the behavior of the animal is of an intermediate value, as is operant behavior alone. Stimuli that are controlled by operant behavior accrue associative strength most easily. If several stimuli are available as potential predictors, again the question arises which CS-US associations are formed? A number of different studies in vertebrates yielded amazingly congruent results. These results inspired to examine and compare the properties of the CS-US association in a complex learning situation at the flight simulator with these vertebrate results. It is shown for the first time that Drosophila can learn compound stimuli and recall the individual components independently and in similar proportions. The attempt to obtain second-order conditioning with these stimuli, yielded a relatively small effect. In comparison with vertebrate data, blocking and sensory preconditioning experiments produced conforming as well as dissenting results. While no blocking could be found, a sound sensory preconditioning effect was obtained. Possible reasons for the failure to find blocking are discussed and further experiments are suggested. The sensory preconditioning effect found in this study is revealed using simultaneous stimulus presentation and depends on the amount of preconditioning. It is argued that this effect is a case of 'incidental learning', where two stimuli are associated without the need of reinforcement. Finally, the implications of the results obtained in this study for the general understanding of memory formation in complex learning situations are discussed.
N2  - Die meisten Lernsituationen sind von komplexer Natur und bestehen aus einer engen Verknüpfung des Verhaltens eines Tieres (B) mit den wahrgenommenen Stimuli. Entsprechend der Reaktion des Tieres auf diese Stimuli werden diese als entweder biologisch neutral (konditionierte Stimuli, CS) oder signifikant (unkonditionierte Stimuli, US oder Verstärker) klassifiziert. Eine typische Lernsituation ist also durch eine Dreiwegebeziehung zwischen B, CS und US gekennzeichnet. Eine funktionelle Charakterisierung der Einzelassoziationen während des Lernens in einer solchen Dreiwegebeziehung war experimentell bisher kaum zugänglich. Operationell wird daher zwischen klassischer Konditionierung als verhaltensunabhängigem Lernvorgang (CS-US Assoziationen) und operanter Konditionierung als essentiell verhaltensabhängigem Lernen (B-US Assoziationen) unterschieden. In den meisten bisher beschriebenen Lernexperimenten ist noch nicht einmal diese Trennung in Einzelassoziationen vollständig durchzuführen gewesen. Im Drosophila Flugsimulator, in dem das relevante Verhalten eine einzelne Bewegungsvariable (das Gierungsdrehmoment) ist, können zum ersten Mal die operanten (B-US, B-CS) und die klassischen (CS-US) Bestandteile einer komplexen Lernsituation völlig getrennt und auf ihre Interaktionen hin untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl die Beiträge der Einzelassoziationen (CS-US, B-US und B-CS) bei der Akquisition der Gedächtnismatrize in komplexen Lernsituationen untersucht, als auch die Eigenschaften einer besonders prominenten Einzelassoziation (CS-US) während einer komplexen Lernsituation zum ersten Mal weitgehend charakterisiert. Mit einer gejochten (yoked) Kontrolle kann gezeigt werden, dass das klassische (CS-US) Musterlernen umfangreicheres Training als das operante Musterlernen erfordert. Außerdem kann die Fliege einen operant gelernter Stimulus von dem Verhalten mit dem er gelernt wurde, auf ein anderes Verhalten im Test übertragen. Dieses Resultat zeigt eindeutig, dass während der operanten Konditionierung klassische (CS-US) Assoziationen gebildet werden können. In einer Erweiterung dieses Ergebnisses zeigt sich, dass solch eine klassische Assoziation, wenn sie gebildet wird, die Bildung einer operanten Assoziation blockiert, die ohne operante Kontrolle der klassisch assoziierten Stimuli gebildet würde. Stattdessen scheint sich der operante Bestandteil weniger ausgeprägt zu entwickeln und ist eventuell in einer komplexen Dreiwege-Assoziation eingebunden. Die Dreiwege-Assoziation könnte entweder als sequentielle B-CS-US oder als hierarchische (B-CS)-US Assoziation implementiert sein. Der Vergleich einer einfachen klassischen (CS-US) mit einer komplexen operanten (B, CS und US) Lernsituation und einer einfachen operanten (B-US) mit einer anderen komplexen operanten (B, CS und US) Lernsituation, ermöglicht das Postulat einer Hierarchie der Prädiktoren für Verstärker. Operantes Verhalten während einer komplexen operanten Lernsituation wird wenig oder überhaupt nicht konditioniert. Die Assoziierbarkeit der klassischen Stimuli ohne Relation zum Verhalten des Tieres (CS-US) sind - wie operantes Verhalten alleine (B-US) auch - von mittlerer Assoziierbarkeit. Stimuli die von operantem Verhalten kon-trolliert werden, erhöhen am schnellsten ihre assoziative Stärke. Sind mehrere Stimuli während des Lernvorgangs zugänglich, stellt sich erneut die Frage, welche von den CS-US Assoziationen gebildet werden. Eine Vielzahl verschiedenster Studien in Vertebraten wiesen erstaunlich übereinstimmende Ergebnisse auf. Diese Ergebnisse inspirierten dazu, die Eigenschaften der CS-US Assoziationen in der komplexen Lernsituation am Flugsimulator zu untersuchen und mit Ergebnissen in Vertebraten zu vergleichen. Es wird erstmals gezeigt, dass Drosophila zusammengesetzte Stimuli lernen und die Einzelkomponenten unabhängig voneinander und in etwa ähnlichen Proportionen wiedererkennen kann. Der Versuch "Lernen zweiter Ordnung" mit diesen Stimuli zu erzielen, liefert einen relativ kleinen Effekt. Die Gegenüberstellung mit Daten aus Vertebraten liefert sowohl Abweichungen als auch Übereinstimmungen hinsichtlich der Lernregeln, die beim klassischen Konditionieren von Vertebraten gefunden wurden. Während es ein deutliches "sensorisches Präkonditionieren" gibt, konnte kein "Blocken" gefunden werden. Das sensorische Präkonditionieren in dieser Studie zeigt sich bei gleichzeitiger Stimuluspräsentation und ist vom Mass der Präkonditionierung abhängig. Es wird argumentiert, dass dieser Effekt ein Fall "beiläufigen Lernens" ist, bei dem zwei Stimuli ohne die Notwendigkeit der Verstärkung assoziiert werden. Für das nicht gefundene Blocken werden mögliche Gründe diskutiert und weiterführende Experimente vor-geschlagen. Abschließend wird über die Implikationen der Resultate dieser Arbeit für das allgemeine Verständnis der Gedächtnisbildung in komplexen Lernsituationen nachgedacht.
KW  - Taufliege
KW  - Lernen
KW  - Flugsimulator
KW  - Drosophila
KW  - Lernen
KW  - Gedächtnis
KW  - Assoziation
KW  - assoziativ
KW  - Flugsimulator
KW  - Lernregeln
KW  - operantes Konditionieren
KW  - klassisches Konditionieren
KW  - Drosophila
KW  - learning
KW  - memory
KW  - association
KW  - associative
KW  - flight simulator
KW  - learning rules
KW  - operant conditioning
KW  - classical conditioning
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-1039
ER  - 
TY  - THES
A1  - Blatt, Jasmina
T1  - Haemolymph sugar homeostasis and the control of the proventriculus in the honeybee (Apis mellifera carnica L.)
T1  - Hämolymphzuckerhomeostase und die Kontrolle des Proventrikels in der Honigbiene (Apis mellifera carnica L.)
N2  - The proventriculus regulates the food passage from crop to midgut. As the haemolymph provides a constantly updated indication of an insect’s nutritional state, it is assumed that the factor controlling the proventri-culus activity is to be found in the haemolymph. The purpose of this doctoral thesis was to investigate how output (metabolic rate), input (food quality and food quantity) and internal state variables (haemolymph osmolarity and haemolymph sugar titer) affect each other and which of these factors controls the activity of the proventriculus in the honeybee. Therefore free-flying foragers were trained to collect con-trolled amounts of different sugar solutions. Immediately after feeding, metabolic rates were measured over different periods of time, then crop-emptying rates and haemolymph sugar titers were measured for the same individual bees. Under all investigated conditions, both the sugar transport rates through the proventriculus and the haemolyph sugar titers depended mainly on the metabolism. For bees collecting controlled amounts of 15 per cent, 30 per cent or 50 per cent sucrose solution haemolymph trehalose, glucose and fructose titers were constant for metabolic rates from 0 to 4.5 mlCO2/h. At higher metabolic rates, trehalose concentration decreased while that of glucose and fructose increased with the exception of bees fed 15 per cent sucrose solution. As the supply of sugar from the crop via the proventriculus was sufficient to support even the highest metabolic rates, the observed pattern must result from an upper limit in the capacity of the fat body to synthesise trehalose. The maximal rate of conversion of glucose to trehalose in the fat body was therefore calculated to average 92.4 µg glucose/min. However, for bees fed 15 per cent sucrose solution both the rate of conversion of glucose to trehalose and the rate of sugar transport from the crop to the midgut were limited, causing an overall decrease in total haemolymph sugar titers for metabolic rates higher than 5 mlCO2/h. Haemolymph sucrose titers were generally low but increased with increasing metabolic rates, even though sucrose was not always detected in bees with high metabolic rates. Though foragers were able to adjust their sugar transport rates precisely to their metabolic rates, a fixed surplus of sugars was transported through the proventriculus under specific feed-ing conditions. This fixed amount of sugars increased with increasing concentration and in-creasing quantity of fed sugar solution, but decreased with progressing time after feeding. This fixed amount of sugars was independent of the metabolic rates of the bees and of the molarity and viscosity of the fed sugar solution. As long as the bees did not exhaust their crop content, the haemolymph sugar titers were unaffected by the sugar surplus, by the time after feeding, by the concentration and by the viscosity of fed sugar solution. When bees were fed pure glucose (or fructose) solutions, un-usually little fructose (or glucose) was found in the haemolymph, leading to lower total haemolymph sugar titers, while the trehalose titer remained unaffected. In order to investigate the mechanisms underlying the regulation of the honeybee proven-triculus, foraging bees were injected either with metabolisable (glucose, fructose, trehalose), or non-metabolisable sugars (sorbose). Bees reacted to injections of metabolisable sugars with reduced crop-emptying rates, but injection of non-metabolisable sugars had no influence on crop emptying. Therefore it is concluded that the proventriculus regulation is controlled by the concentration of metabolisable compounds in the haemolymph, and not by the haemo-lymph osmolarity. A period of 10min was enough to observe reduced crop emptying rates after injections. It is suggested that glucose and fructose have an effect on the proventriculus activity only via their transformation to trehalose. However, when the bees were already in-jected 5min after feeding, no response was detectable. In addition it was investigated whether the overregulation is the result of feed-forward regulation for the imminent take-off and flight. In a first experiment, we investigated whether the bees release an extra amount of sugar solution very shortly before leaving for the hive. In a second experiment, it was tested whether the distance covered by the bees might have an influence on the surplus amount released prior to the take-off. In a third experiment, it was investigated if walking bees fail to release this extra amount of sugars, as they do not have to fly. Though we were not able to demonstrate that the overregulation is the result of feed-forward regulation for the imminent take-off and flight, it is conceivable that this phenome-non is a fixed reaction in foragers that can not be modulated. To investigate whether regulated haemolymph sugar titers are also observed in honeybee foragers returning from natural food sources, their crop contents and haemolymph sugar titers were investigated. While the quantity of the collected nectar was without influence on the haemolymph sugar titers, foragers showed increasing haemolymph sugar titers of glucose, fructose and sucrose with increasing sugar concentration of the carried nectar. In contrast no relationship between crop nectar concentrations and haemolymph trehalose titers was observed. We are sure that the regulation of food passage from crop to midgut is controlled by the trehalose titer. However, under some conditions the balance between consumption and income is not numerically exact. This imprecision depends on the factors which have an impact on the foraging energetics of the bees but are independent of those without influence on the foraging energetics. Therefore we would assume that the proventriculus activity is modulated by the motivational state of the bees.
N2  - Der Proventrikel reguliert den Nahrungstransport vom Kropf zum Mitteldarm. Da die Hämolymphe einen stets aktuellen Einblick in den Ernährungszustand eines Insekts gewährt, kann man annehmen, dass der die Proventrikelaktivität regulierende Faktor in der Hämolymphe zu finden ist. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die gegenseitige Beeinflussung von Aufnahme (Futterqualität und –quantität), Verbrauch (Stoffwechselrate) und „internal state“ Variablen (Hämolymphosmolarität und –zuckerspiegel) zu untersuchen und herauszufinden, welcher dieser Faktoren die Aktivität des Proventrikels bei der Honigbiene kontrolliert. Zu diesem Zweck wurden frei fliegende Sammlerinnen trainiert, kontrollierte Mengen verschiedener Zuckerlösungen zu sammeln. Direkt nach dem Füttern wurden die Stoffwechsel-raten über bestimmte Zeiten gemessen, danach wurden Kropfentleerungsraten und Hämo-lymphzuckerspiegel der jeweiligen Bienen gemessen. Unter allen untersuchten Bedingungen waren sowohl die Zuckertransportraten durch den Proventrikel als auch die Hämolymphzuckerspiegel hauptsächlich von der Stoffwechselrate abhängig. Bei Bienen, die kontrollierte Mengen von 15-, 30- oder 50-prozentigen Saccharoselösungen gesammelt hatten, waren die Hämolymph-trehalose, -glucose und –fructosespiegel für Stoffwechselraten von 0 – 4,5 mlCO2/h konstant. Bei höheren Stoffwechselraten sank die Trehalosekonzentra-tion, während die von Glucose und Fructose stieg; eine Ausnahme stellten Bienen dar, denen 15-prozentige Saccharoselösung gefüttert worden war. Da die Zuckerversorgung aus dem Kropf über den Proventrikel ausreichte, um auch die höchsten Stoffwechselraten zu ermöglichen, müssen die beobachteten Verläufe von einer Limitierung des Fettkörpers hinsichtlich der Trehalosesynthese herrühren. Die maximale Umwandlungs-rate von Glucose zu Trehalose im Fettkörper wurde daher auf 92,4 µg Glucose/ Minute berechnet. Allerdings war sowohl die Umwandlungsrate von Glucose zu Trehalose als auch die Zuckertransportrate vom Kropf in den Mitteldarm bei Bienen limitiert, die 15-prozentige Saccharoselösungen gefüttert bekamen. Insgesamt führte das zu einem Absinken des Gesamt-Hämolymphzuckerspiegels bei Stoffwechselraten, die über 5 mlCO2/h lagen. Auch wenn die Sammlerinnen in der Lage waren ihre Zuckertransportrate genau an ihre Stoffwechselrate anzupassen, wurde unter bestimmten Bedingungen ein festgelegter Überschuss an Zuckern durch den Proventrikel transportiert. Dieser Überschuss an Zuckern vergrößerte sich mit zunehmender Konzentration und zunehmender Menge der gefütterten Zuck-erlösung, verkleinerte sich aber mit fortschreitender Zeit nach dem Füttern. Er war unab-hängig vom Stoffwechsel der Bienen und der Molarität und Viskosität der gefütterten Zuckerlösung. So lange die Bienen ihren Kropfinhalt nicht aufgebraucht hatten, waren die Hämolymphzuckerspiegel von dem Überschuss an transportiertem Zucker, von der Zeitspanne zwischen Füttern und Hämolymphentnahme sowie der Konzentration der gefütterten Lösung und deren Viskosität unbeeinflusst. Wenn die Bienen allerdings reine Glucose- (oder Fruc-tose-)lösungen gefüttert bekamen, wurde wesentlich weniger Fructose (oder Glucose) in der Hämolymphe gemessen, was zu niedrigeren Gesamt-Hämolymphzuckerspiegeln führte, während der Trehalosespiegel unbeeinflusst blieb. Um den Mechanismus zu untersuchen, der der Proventrikelregulierung unterliegt, wurden Sammlerinnen mit entweder verdaubaren (Glucose, Fructose oder Trehalose) oder unver-daubaren Zuckern (Sorbose) injiziert. Die Bienen reagierten auf die Injektionen der ver-daubaren Zucker mit einer Reduzierung der Kropfentleerungsrate, wohingegen die Injizierung nicht verdaubarer Zucker keinen Einfluss auf die Kropfentleerung hatte. Daraus wird geschlossen, dass die Proventrikelregulation von der Konzentration der verdaubaren Kompo-nenten in der Hämolymphe kontrolliert wird und nicht von der Hämolymph-osmolarität. Eine Zeitspanne von 10min reichte aus, um nach der Injektion reduzierte Kropfentleerungsraten zu beobachten. Es wird angenommen, dass Glucose und Fructose nur über die Umwandlung zu Trehalose einen Einfluss auf die Proventrikelaktivität haben. Wenn allerdings die Injektionen bereits 5min nach der Futteraufnahme stattfanden, wirkte sich das nicht auf die Kropfentleerungsrate aus. Weiterhin wurde untersucht, ob die Überregulation das Ergebnis einer „Vorschussregula-tion“ für den anstehenden Abflug und Flug ist. In einem ersten Experiment wurde untersucht, ob die Bienen diesen Überschuss erst direkt vor dem Abflug durch den Proventrikel lassen. In einem zweiten Experiment wurde untersucht, ob die Entfernung zwischen Stock und Futter-quelle einen Einfluss auf die Menge des transportierten Zuckerüberschusses hat. In einem dritten Experiment wurde untersucht ob laufende Bienen auch einen Überschuss an Zuckern durch den Proventrikel leiten, obwohl sie nicht fliegen müssen. Auch wenn wir nicht nach-weisen konnten, dass die Überregulation das Ergebnis einer Vorschussregulation für den anstehenden Abflug und Flug ist, ist es dennoch denkbar, dass dieses Phänomen eine festge-legte Reaktion der Sammlerinnen ist, die nicht moduliert werden kann. Um zu untersuchen, ob man auch bei Sammlerinnen, die von natürlichen Futterquellen kommen, regulierte Hämolymphzuckerspiegel findet, wurden deren Kropfinhalte und Hämolymphzuckerspiegel bestimmt. Während die Menge des gesammelten Nektars keinen Einfluss auf die Hämolymphzuckerspiegel hatte, hatten Sammlerinnen höhere Glucose-, Fructose- und Saccharosehämolymphzucker-spiegel, wenn der Nektar im Kropf höher konzentriert war. Im Gegensatz dazu wurde keine Beziehung zwischen Nektarkonzentration und Trehalosespiegel gefunden. Wir sind sicher, dass die Regulation des Futtertransports vom Kropf zum Mitteldarm über den Trehalosespiegel kontrolliert wird. Trotzdem ist die Bilanz zwischen Zuckertransportrate und Stoffwechsel nicht unter allen Bedingungen exakt ausgeglichen. Diese „Ungenauigkeit“ ist von denjenigen Faktoren abhängig, die einen Einfluss auf die Sammelenergetik der Sammlerinnen haben, aber unabhängig von den Faktoren, die keinen Einfluss auf die Sam-melenergetik haben. Daher nehmen wir an, dass die Proventrikelaktivität über die Motivation der Bienen moduliert werden kann.
KW  - Biene
KW  - Hämolymphe
KW  - Zucker
KW  - Trehalose
KW  - Proventriculus
KW  - Honigbiene
KW  - Apis mellifera carnica
KW  - Trehalose
KW  - Hämolymphzucker Homeostase
KW  - Proventrikel
KW  - honey bee
KW  - Apis mellifera carnica
KW  - trehalose
KW  - haemolymph sugar homeostasis
KW  - proventriculus
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-880
ER  - 
TY  - THES
A1  - Keller, Andreas
T1  - Genetic Intervention in Sensory Systems of a Fly
T1  - Genetische Intervention in sensorischen Systemen einer Fliege
N2  - Die vorliegende Arbeit vergleicht Transgene, die in Drosophila Neuronen exprimiert wurden, um diese abzutöten oder zu blockieren. Tetanus Neurotoxin erwies sich als sehr effizient, um chemische Synapsen zu blockieren. Synapsen, die aus einer chemischen und einer elektrischen Komponente bestehen, ließen sich dagegen mit einem ektopisch exprimierten humanen Kalium-Kanal zuverlässiger ausschalten. Es wurden drei Möglichkeiten verglichen, eine zeitliche Kontrolle über die Funktion von Neuronen zu erlangen. Keines der getesteten Systeme erwies sich als universell anwendbar, aber die durch Rekombination induzierte Tetanus Neurotoxin Expression ist ein vielversprechender Ansatz. Die aus dieser vergleichenden methodischen Studie gewonnenen Ergebnisse wurden angewendet, um die Rolle von Neuronen in sensorischen Systemen bei der Verarbeitung verschiedener sensorischer Informationen zu untersuchen. Chemische und mechanische Rezeptorneuronen konnten den olfaktorisch gesteuerten Verhaltensweisen beziehungsweise den lokomotorischen Leistungen, denen sie zu Grunde liegen, zugeordnet werden. Hauptthema der Arbeit ist die Suche nach Neuronen, die an der Bewegungsdetektion im visuellen System beteiligt sind. Dabei zeigte sich, daß weder L2 noch L4 Neuronen im ersten visuellen Neuropil essentiell für die Detektion von Bewegung sind. Vielmehr deuten die Ergebnisse darauf hin, daß die Bewegungsdetektion über das Netzwerk der amacrinen Zellen (a) erfolgt. Die für vertikale Bewegung sensitiven VS Zellen in der Lobula Platte erwiesen sich als nicht notwendig für die Verhaltensreaktionen auf vertikale Bewegungsreize. Daraus folgt auch, daß in der Strukturmutante optomotor blind das Fehlen der VS Zellen nicht ursächlich für die stark eingeschränkten Reaktionen auf vertikale Bewegung ist. Ein anderer Defekt in optomotor blind muß dafür verantwortlich sein. Die Arbeit zeigt das große Potential der beschriebenen Methoden zur Untersuchung der Informationsverarbeitung im Nervensystem von Drosophila. Einzelne Neuronengruppen konnten komplexen Verhaltensweisen zugeordnet werden und Theorien über die Informationsverarbeitung konnten in Verhaltensexperimenten mit transgenen Fliegen getestet werden. Eine weitere Verfeinerung der Methodik zur genetischen Intervention wird das Drosophila Gehirn zu einem noch besseren Modell für die Informationsverarbeitung in Nervensystemen machen.
N2  - Different transgenes that can be expressed in neurons to kill or block them were compared. Tetanus neurotoxin blocked chemical synapses very efficiently. Synapses consisting of a chemical and an electrical component were blocked more reliably by expressing a human inwardly rectifying potassium channel. To gain temporal control over neuronal function, three genetic tools have been investigated. None of the systems is without drawbacks, however, the recombination induced tetanus neurotoxin expression is a promising approach. The knowledge gained from the comparative methodological study was used to investigate the role of neurons in sensory systems in processing different sensory informations. Receptor neurons sensitive for chemical or mechanical stimuli were correlated to specific olfactory behaviors or locomotor tasks. The main topic of this thesis is the much discussed question of which neurons are involved in motion processing in the visual system of flies. Neither L2 nor L4 neurons in the first visual neuropil are essential for motion-detection. The results indicate that maybe motion is detected by the network of amacrine cells (a). The vertical motion-sensitive VS cells in the lobula plate are not necessary for behavioral responses to vertical motion. This finding implies that the lack of VS cells in the structural mutant optomotor blind is not causally related to the altered responses to motion stimuli. Other abnormalities in optomotor blind are responsible for this behavioral phenotype. This work shows the potential of the described methods in studying information processing in the Drosophila brain. Groups of neurons were correlated to complex behavioral responses and theories about information processing were tested by behavioral experiments with transgenic flies. The refinement of the genetic tools to interfere with neuronal function will make the Drosophila brain an even better model to study information processing in nervous systems.
KW  - Taufliege
KW  - Bewegungssehen
KW  - Neurophysiologie
KW  - Nervengift
KW  - Drosophila
KW  - Tetanus Neurotoxin
KW  - Bewegungsdetektion
KW  - Visuelles System
KW  - Lamina
KW  - Lobula Platte
KW  - Drosophila
KW  - Tetanus Neurotoxin
KW  - Motion detection
KW  - visual system
KW  - lamina
KW  - lobula plate
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-680
ER  - 
TY  - THES
A1  - Esch, Mandy
T1  - Novel Nucleic Acid Sensors for the Rapid Detection of Cryptosporidium Parvum
T1  - Neue Nukleinsäure-Sensoren für die Detektion von Cryptosporidium parvum
N2  - Recent advances in the development of immunoassays and nucleic acid assays have improved the performance and increased the sensitivity of sensors that are based on biochemical recognition. The new approaches taken by researchers include detecting pathogens by detecting their nucleic acids, using new nontoxic reporter entities for generating signals, and downscaling and miniaturizing sensors to micromigration and microfluidic formats. This dissertation connects some of these successful approaches, thereby leading to the development of novel nucleic acid sensors for rapid and easy detection of pathogens. The author's goal was to develop diagnostic tools that enable investigators to detect pathogens rapidly and on site. While the sensors can be used to detect any pathogen, the author first customized them for detecting particularly Cryptosporidium parvum, a pathogen whose detection is important, yet presents many challenges. Chapter 2 of this thesis presents a novel test-strip for the detection of C. parvum. The test-strip is designed to detect nucleic acids rather than proteins or other epitopes. While test strips are commonly used for sensors based on immunological recognition, this format is very new in applications in which nucleic acids are detected. Further, to indicate the presence or absence of a specific target on the test strip, dye-entrapped, oligonucleotide-tagged liposomes are employed. Using liposomes as reporter particles has advantages over using other reporter labels, because the cavity that the phospholipidic membranes of the liposomes form can be filled with up to 106 dye molecules. By using heterobifunctional linkers liposomes can be tagged with oligonucleotides, thereby enabling their use in nucleic acid hybridization assays. The developed test-strip provides an internal control. The limit of detection is 2.7 fmol/mL with a sample volume of 30 mL. In chapter 3 the detection of nucleic acids by means of oligonucleotide-tagged liposomes is scaled down to a microfluidic assay format. Because the application of biosensors to microfluidic formats is very new in the field of analytical chemistry, the first part of this chapter is devoted to developing the design and the method to fabricate the microchip devices. The performance of the microchips is then optimized by investigating the interactions of nucleic acids and liposomes with the material the chips consist of and by passivating the surface of the chips with blocking reagents. The developed microfluidic chip enabled us to reduce the sample volume needed for one assay to 12.5 mL. The limit of detection of this assay was determined to be 0.4 fmol/mL. Chapters 4 and 5 expand on the development of the microfluidic assay. A prototype microfluidic array that is able to detect multiple analytes in a single sample simultaneously is developed. Using such an array will enable investigators to detect pathogens that occur in the same environment, for example, C. parvum and Giardia duodenalis by conducting a single test. The array's ability to perform multiple sample analysis is shown by detecting different concentrations of target nucleic acids. Further, the author developed a microfluidic chip in which interdigitated microelectrode arrays (IDAs) that consist of closely spaced microelectrodes are integrated. The IDAs facilitate electrochemical detection of cryptosporidial RNA. Electrochemical detection schemes offer benefits of technical simplicity, speed, and sensitivity. In this project liposomes are filled with electrochemically active molecules and are then utilized to generate electrochemical signals. Chapter 6 explores the feasibility of liposomes for enhancing signals derived from nucleic acid hybridization in surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. SPR spectroscopy offers advantages because nucleic acid hybridization can be monitored in real time and under homogeneous conditions because no washing steps are required. SPR spectroscopy is very sensitive and it can be expected that, in the future, SPR will be integrated into microfluidic nucleic acid sensors.
N2  - Jüngste Fortschritte in der Entwicklung von Immuno- und Nucleinsäure- Assays haben die Arbeitsleistung und die Spezifität von Sensoren, die auf biochemischer Erkennung basieren (Biosensoren), verbessert. Neu entwickelte Methoden umfassen die Detektion von Pathogenen durch die Detektion ihrer RNA oder DNA, das Benutzen von neuen nicht-toxischen Reporter Molekülen, um Signale in Sensoren zu erzeugen, und die Verkleinerung und Miniaturisierung von Sensoren zu Mikromigrations- und Mikrofluid Formaten. Die in dieser Dissertation entwickelten Sensoren, die der Detektion von Pathogenen dienen, verbinden einige der neu entwickelten Methoden. Das Ziel der Autorin war es, Sensoren zu entwickeln, die es ermöglichen, Pathogene an Ort und Stelle zu detektieren. Die entwickelten Sensoren können zur Detektion von einer Reihe von Pathogenen benutzt werden. In dieser Dissertation sind sie für die spezifische Detektion von Cryptosporidium parvum entwickelte worden. Kapitel 2 der Dissertation präsentiert einen neuen Teststreifen für die Detektion von C. parvum. Der Teststreifen detektiert die RNA von C. parvum, die als Reaktion auf einen Hitzeschock produziert wird. Das Teststreifen-Format ist üblich für Sensoren, die auf immunologischer Erkennung basieren. Es ist jedoch neu für Anwendungen in denen RNA oder DNA detektiert werden sollen. Die An- oder Abwesenheit eines bestimmten Ziel Moleküls wird durch Liposomen, die Oligonukleotide auf der Aussenseite ihrer Membranen enthalten und mit Farbstoff gefüllt sind, angedeutet. Die Experimente zeigten, dass die mit dem entwickelten Test-Streifen kleinste detektierbare Konzentration von RNA in einem 30 mL Probenvolumen 2.7 fmol/mL ist. In Kapitel 3 ist die Signalerzeugung durch Liposomen in ein Mikrofliess-System integriert. Da die Entwicklung von Mikrofliess-Systemen ein sehr neues Forschungsgebiet ist, befasst sich ein Teil dieses Kapitels mit dem Design und der Herstellung des Microchips. Die Untersuchung von Interaktionen von Nukleinsäuren und Liposomen mit dem Material aus dem der Chip hergestellt ist und die Passivierung dieses Materials ist dabei ein Schwerpunkt. Das Probenvolumen, dass zur Detektion mit dem entwickelten Mikrofliess-Sensor nötig ist, konnte auf 12.5 mL reduziert werden. Die kleinste detektierbare Konzentration von Nucleinsäuren ist 5 fmol/mL. In Kapitel 4 und 5 erweitert die Autorin die Entwicklung des Mikrofliess-Sensors aus Kapitel 3. Das Detektionsformat ist auf ein Array, das für die gleichzeitige Detektion von mehreren Pathogenen benutzt werden kann, angewandt. Eine Methode zum Herstellen eines Arrays-Prototypen ist entwickelt. Ferner, stellte die Autorin verzahnte Mikroelektroden her und benutzte diese um die elektrochemische Detektion der RNA von C. parvum zu ermöglichen. In Kapitel 6 ist die Anwendbarkeit von Liposomen zur Erhöhung von Signalen von Nukleinsäure-Hybridisierungen in Surface Plasmon Resonance Spectroscopy (SPR) untersucht.
KW  - Cryptosporidium
KW  - RNS
KW  - Biosensor
KW  - Nucleinsäure-Sensoren
KW  - RNA
KW  - Cryptosporidium parvum
KW  - Mikrofliess-System
KW  - Liposomen
KW  - Teststreifen
KW  - Nuleic Acids Sensors
KW  - RNA
KW  - Cryptosporidium parvum
KW  - Microfluidic Chip
KW  - Liposomes
KW  - Test-Strip
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-323
ER  -