TY  - THES
A1  - Chouhan, Nitin Singh
T1  - Time-odor learning in \(Drosophila\) \(melanogaster\)
T1  - Olfaktorisches Zeitgedächtnis bei \(Drosophila\) \(melanogaster\)
N2  - Endogenous clocks help animals to anticipate the daily environmental changes. These
internal clocks rely on environmental cues, called Zeitgeber, for synchronization. The
molecular clock consists of transcription-translation feedback loops and is located in
about 150 neurons (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich-Förster, 2005). The
core clock has the proteins Clock (CLK) and Cycle (CYC) that together act as a
transcription activator for period (per) and timeless (tim) which then, via PER and TIM
block their own transcription by inhibiting CLK/CYC activity (Darlington et al., 1998;
Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008). Light signals trigger the degradation of TIM
through a blue-light sensing protein Cryptochrome (CRY) and thus, allows CLK/CYC to
resume per and tim transcription (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998).
Therefore, light acts as an important Zeitgeber for the clock entrainment. The
mammalian clock consists of similarly intertwined feedback loops.
Endogenous clocks facilitate appropriate alterations in a variety of behaviors
according to the time of day. Also, these clocks can provide the phase information to the
memory centers of the brain to form the time of day related associations (TOD). TOD
memories promote appropriate usage of resources and concurrently better the survival
success of an animal. For instance, animals can form time-place associations related to
the availability of a biologically significant stimulus like food or mate. Such memories will
help the animal to obtain resources at different locations at the appropriate time of day.
The significance of these memories is supported by the fact that many organisms
including bees, ants, rats and mice demonstrate time-place learning (Biebach et al.
1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Previous
studies have shown that TOD related memories rely on an internal clock, but the identity
of the clock and the underlying mechanism remain less well understood. The present
study demonstrates that flies can also form TOD associated odor memories and further
seeks to identify the appropriate mechanism.
Hungry flies were trained in the morning to associate odor A with the sucrose
reward and subsequently were exposed to odor B without reward. The same flies were
exposed in the afternoon to odor B with and odor A without reward. Two cycles of the
65
reversal training on two subsequent days resulted in the significant retrieval of specific
odor memories in the morning and afternoon tests. Therefore, flies were able to
modulate their odor preference according to the time of day. In contrast, flies trained in
a non-reversal manner were unable to form TOD related memories. The study also
demonstrates that flies are only able to form time-odor memories when the two
reciprocal training cycles occur at a minimum 6 h interval.
This work also highlights the role of the internal state of flies in establishing timeodor
memories. Prolonged starvation motivates flies to appropriate their search for the
food. It increases the cost associated with a wrong choice in the T-maze test as it
precludes the food discovery. Accordingly, an extended starvation promotes the TOD
related changes in the odor preference in flies already with a single cycle of reversal
training. Intriguingly, prolonged starvation is required for the time-odor memory
acquisition but is dispensable during the memory retrieval.
Endogenous oscillators promote time-odor associations in flies. Flies in constant
darkness have functional rhythms and can form time-odor memories. In contrast, flies
kept in constant light become arrhythmic and demonstrated no change in their odor
preference through the day. Also, clock mutant flies per01 and clkAR, show compromised
performance compared to CS flies when trained in the time-odor conditioning assay.
These results suggest that flies need a per and clk dependent oscillator for establishing
TOD related memories. Also, the clock governed rhythms are necessary for the timeodor
memory acquisition but not for the retrieval.
Pigment-Dispersing Factor (PDF) neuropeptide is a clock output factor (Park and
Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster, 2009). pdf01 mutant flies are unable to
form significant time-odor memories. PDF is released by 8 neurons per hemisphere in
the fly brain. This cluster includes the small (s-LNvs) and large (l-LNvs) ventral lateral
neurons. Restoring PDF in these 16 neurons in the pdf01 mutant background rescues
the time-odor learning defect. The PDF neuropeptide activates a seven transmembrane
G-protein coupled receptor (PDFR) which is broadly expressed in the fly brain (Hyun et
al., 2005). The present study shows that the expression of PDFR in about 10 dorsal
neurons (DN1p) is sufficient for robust time-odor associations in flies.
66
In conclusion, flies use distinct endogenous oscillators to acquire and retrieve
time-odor memories. The first oscillator is light dependent and likely signals through the
PDF neuropeptide to promote the usage of the time as an associative cue during
appetitive conditioning. In contrast, the second clock is light independent and
specifically signals the time information for the memory retrieval. The identity of this
clock and the underlying mechanism are open to investigation.
N2  - Die endogenen circadianen Uhren helfen Tieren, die täglichen Veränderungen der Umwelt zu antizipieren. Diese internen Uhren stützen sich auf externe Umweltreize, sogenannte Zeitgeber, die den Tagesrhythmus vorgeben. Im Fliegengehirn bilden etwa 150 Neuronen die zentrale innere Uhr (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich- Förster, 2005). Diese Neuronen exprimieren die molekulare Uhr, die aus Transkriptions- Translations-Feedback-Schleifen besteht. Die Uhr besitzt die Proteine Clock (CLK) und Cycle (CYC), die zusammen die Transkription von period (per) und timeless (tim) aktivieren. PER und TIM bilden dann ein Heterodimer um die Transkription von clk und cyc zu blockieren (Darlington et al., 1998; Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008).
Lichtsignale lösen den Abbau von TIM durch das für blaues Licht sensitive‚ 'Sensing Protein Cryptochrome‘ (CRY) aus, daß wiederum CLK und CYC freisetzt um die per und tim Transkription wieder aufzunehmen (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998). Daher wirkt Licht als wichtiger Zeitgeber. Die innere Uhr der Säuger besteht aus ähnlich miteinander verflochtenen Rückkopplungsschleifen.
Die internen Uhren ermöglichen und erleichtern Verhaltensveränderungen in einer Vielzahl von Situation, entsprechend der Tageszeit. Zudem wird die Information den jeweiligen Speicherorten im Gehirn bereit gestellt, um zeitbezogene Gedächtnisbildung zu ermöglichen. Zeitabhängige Gedächtnisbildung sorgt für eine angemessene Nutzung der Ressourcen und sichert gleichzeitig das Überleben des Tieres. Zum Beispiel können Tiere Zeit-Ort-Assoziationen im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit einer biologisch wichtigen Ressource, wie Nahrung oder Paarungspartnern bilden. Solche Assoziationen helfen dem Tier Ressourcen an verschiedenen Orten, abhängig von der Tageszeit, zu erschließen. Die Wichtigkeit dieser Fähigkeit wird durch die Tatsache gestützt, daß zum Beispiel Bienen, Ameisen, Ratten und Mäuse ein zeitlich abhängiges Ortgedächtnis bilden können (Biebach et al. 1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Frühere Studien haben gezeigt, daß zeitbezogene Erinnerungen auf einer internen Uhr beruhen. Die genaue Identität dieser Uhr und die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch
nicht ausreichend bekannt. In der vorliegenden Studie wird gezeigt, daß Fliegen in der

Lage sind ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Zudem wird versucht
die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu identifizieren.
Hungrige Fliegen werden zu verschiedenen Tageszeiten konditioniert verschiedene Gerüche mit einer Saccharose-Belohnung zu assoziieren. Morgens ist Geruch A mit Zucker gepaart während Geruch B ohne Zucker präsentiert wird, am Nachmittag ist Geruch B belohnt, Geruch A nicht. Dieses reziproke Training wird an zwei aufeinander folgenden Tagen durchgeführt. Am dritten Tag werden die Fliegen entweder am Morgen oder Nachmittag auf ihre Geruchspräferenz zwischen A und B getestet. Die Fliegen modulieren ihre Geruchspräferenz abhängig von der Tageszeit. Im Gegensatz dazu sind Fliegen, die nicht mittels eines reziproken Trainings konditioniert wurden, nicht in der Lage, ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Die Ergebnisse zeigen auch, daß Fliegen nur dann in der Lage sind zeitbezogene Erinnerungen zu bilden, wenn die beiden reziproken Trainingszyklen mindestens 6 h voneinander getrennt durchgeführt werden.
Die Arbeit ebeleuchtet zudem die Rolle des internen Zustands der Fliegen im Kontext des zeitabhängigen olfaktorischen Gedächtnisses. Länger andauernder Hunger motiviert die Fliegen stärker ihre Suche nach Nahrung zeitlich anzupassen. Schon ein Zyklus reziproken Trainings reicht für die Bildung Zeit-spezifischen Geruchsgedächtnisses aus. Die Erhöhung der Kosten, die mit einer falschen Wahl in einem T-maze-Test verbunden ist, kann offenbar zeitabhängige Änderungen der Geruchspräferenzen in Fliegen begünstigen. Erstaunlicherweise begünstigt der Hunger speziell die Gedächtnisbildung, ist jedoch für den Test nicht erforderlich.
Endogene circadiane Oszillatoren werden für das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis der Fliegen gebraucht. Fliegen, die im Dauerdunkel gehalten wurden, zeigen rhythmisches Verhalten so wie zeitbezogenes olfaktorisches Gedächtnis. Im Gegensatz dazu sind im Dauerlicht aufgezogene Fliegen arrhythmisch und zeigen kein Zeit-spezifisches Geruchsgedächtnis. Zudem sind auch die arrhythmischen Mutanten per01 und clkAR in der Zeit-Geruchskonditionierung gestört. Diese Ergebnisse legen nahe, daß Fliegen einen per- und clk-abhängigen Oszillator benötigen, der von externen Lichtsignalen abhängig ist, um ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis
zu bilden. Außerdem wird der durch die innere Uhr vorgegebene Rhythmus nur
während der Gedächtnisbildung und nicht für das Abrufen des Gelernten benötigt. Pigment dispersing factor (PDF) ist ein Neuropeptid, das von Neuronen der inneren Uhr gebildet wird (Park and Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster,
2009). Die pdf01-Mutante ist nicht in der Lage ein signifikantes zeitbezogenes
olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. PDF wird von jeweils einer Gruppe von 8 Neuronen pro Hemisphäre, die die kleinen und großen ventral-lateralen Neuronen umfaßt, sezerniert. Die Wiederherstellung der Expression von PDF in diesen 16 Neuronen im pdf01 Mutanten Hintergrund, rettet das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis. Das PDF-Neuropeptid aktiviert einen sieben-Transmembran-G-Protein- gekoppelten Rezeptor (PDFR), der weit verbreitet im Fliegenhirn exprimiert wird (Hyun et al., 2005). Diese Studie zeigt, daß die Expression von PDFR in ~ 10 dorsalen
Neuronen (DN1p) für eine robuste zeitabhängige olfaktorische Gedächtnisbildung in Fliegen ausreicht.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Fliegen verschiedene endogene Oszillatoren benutzen um ein zeitabhängiges olfaktorische Gedächtnis zu bilden und abzurufen. Der erste Oszillator ist lichtabhängig und wahrscheinlich durch das PDF- Neuropeptid vermittelt. Es ermöglicht die Verwendung der Information 'Zeit' als assoziatives Signal während der appetitiven Konditionierung. Im Gegensatz dazu ist die zweite Uhr lichtunabhängig und vermittelt speziell die Zeitinformation für die Gedächtnisabfrage. Die Identität der zweiten Uhr und der zugrunde liegende Mechanismus sowie die zugrunde liegende Kommunikation zwischen den Neuronen, bedarf weiterer Untersuchungen.
KW  - Learning and memory
KW  - Circadian rhythms
KW  - Odor-feeding-time memory
KW  - Taufliege
KW  - Tagesrhythmus
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Konditionierung
KW  - Molekulargenetik
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-145675
ER  - 
TY  - THES
A1  - Batsching, Sophie Johanna
T1  - Behavior under uncontrollable stress in \(Drosophila\)  \(melanogaster\) - Learned Helplessness revisited
T1  - Verhalten unter nicht kontrollierbarem Stress - Neubetrachtung der Erlernten Hilflosigkeit bei \(Drosophila\)  \(melanogaster\)
N2  - In order to select the appropriate behavior, it is important to choose the right behavior at the right time out of many options. It still remains unclear nowadays how exactly this is managed. To address this question, I expose flies (Drosophila melanogaster) to uncontrollable stress to study their behavior under restrictive circumstances by using the so-called shock box. Exposing animals to uncontrollable stress may have an impact on subsequent behavior and can last for some time. The animal learns that whatever it does, it cannot change the situation and therefore can develop something called learned helplessness. The term was first conceptualized by two American psychologists Maier and Seligman (1967), who discovered this phenomenon while doing experiments with dogs. They found out that dogs which are exposed to inescapable stress, later fail in a learning task (‘shuttle box’).
In this work the walking patterns of three different types of experimental flies, walking in a small dark chamber, were evaluated. Using the triadic design (Seligman and Maier, 1967), flies were either exposed to electric shock randomly (yoked), could turn it off by being active (master) or did not receive punishment at all (control). Master flies were shocked whenever they sat for more than 0.9 seconds. At the same time yoked flies received a shock as well independent of what they were doing, to ensure the same amount of shocks received and to create random punishment pattern for the yoked group. With this so-called no-idleness paradigm flies were conditioned either 10 minutes, which resulted in a short (3 minutes) after-effect, or 20 minutes that turned out to be more stable (10 minutes).
In a second part, the behavior during the 20 minute conditioning and a 10 minutes post-test was described in detail. Female flies of the yoked group developed lower activity levels, longer pauses and walked more slowly than master and control flies during conditioning. In the time after the shocks while still in the box, the yoked flies also reduced the frequency and duration of walking bouts as well as their walking speed. Additionally, they took more time to resume walking after the onset of an electric shock than master flies (escape latency) and turned out to make less pauses lasting between 1-1.5 seconds which supports the finding concerning the escape latency. 
Male flies, tested under the same conditions, showed a slightly weaker after-effect regarding the difference between master and yoked during conditioning and post-test when compared to female flies.
When comparing the 20 minutes conditioning with subsequent 10 minutes test in the heat and the shock box in parallel, one finds the same effect: Flies which do not have control over the shocks, lower their activity, make less but longer pauses and walk more slowly than their respective master flies. Despite the similar effect of heat and shock on the flies, some differences between the devices occurred, which can partly be explained by different humidity conditions as well as by different surfaces within the chambers.
When the control over the shocks is given back to the yoked flies, it takes them about seven minutes to realize it. One could also show that dopamine levels in the brain were reduced in comparison to flies which did not receive shocks. Yoked flies also were impaired in a place learning task (place learning) and their reaction to light (exit from the box towards the light) directly after conditioning.
After characterizing the walking behavior in the chambers, the study deals with the question whether the effects observed in the chambers transfer to different environments. 
In free walk they only differed from flies which did not receive electric shocks and no effect of uncontrollability was transferred to courtship behavior. Handling as the cause could be excluded. Since handling could be exclude to be the cause of losing the effect, I assumed that the behavior shown in the boxes are context depend. 
Not only were the after-effects of inescapable shock subject of the current research also the impact of the rearing situation on the response to electric shock was investigated in the present study. Flies which grew up in a single-reared situation turned out to be less affected by inescapable stress in both sexes.
In the next part, the first steps to unravel the neuronal underpinning were taken. A mutant – fumin – which is defective in the dopamine re-uptake transporter showed less reaction to inescapable foot shocks, while a mutant for the gene which encodes an adenylate cyclase (rutabaga2080) resulted in a good score during conditioning, but showed no stable after-effect. Downregulating the expression of the adenylate cyclase gene (rutabaga) in different parts of the mushroom bodies showed, that rutabaga is necessary in the α’β’-lobes for expressing the differences between master and yoked flies in the no-idleness paradigm. The study further confirmed previous findings, that rutabaga is needed in operant but not in classical conditioning.
As a result, the study could show that not the stimulus itself causes the state of uncontrollability but the fact that the fly learned that it was not in control of the stimulus. This state turned out to be context and time dependent.
N2  - Eine wichtige Aufgabe für ein Tier ist es, das passende Verhalten zur richtigen Zeit zu wählen. Heutzutage ist immer noch unklar, wie dieser Prozess exakt abläuft. Zur Untersuchung dieser Frage werden Fliegen (Drosophila melanogaster) in der so genannten Schockbox unkontrollierbarem Stress ausgesetzt um auf diesem Weg Verhaltenskontrolle unter stressigen und stark restriktiven Umständen untersuchen zu können. Wenn Tiere unkontrollierbarem Stress ausgesetzt sind, kann dieser Zustand sowohl langanhaltend sein als auch Einfluss auf das Folgeverhalten haben. Das Tier lernt, dass alle Aktivitäten, die es in dieser Situation unternimmt keinen Einfluss auf die Situation haben. Dadurch kann das Tier einen Zustand der sogenannten Erlernten Hilflosigkeit entwickeln. Dieser Begriff wurde von zwei amerikanischen Psychologen, Maier und Seligman (1976), geprägt, die dieses Phänomen während Experimenten mit Hunden entdeckten und konzipierten. Sie fanden heraus, dass Hunde, die unkontrollierbarem Stress ausgesetzt waren, an einer anschließend gestellten Lernaufgabe scheiterten (‚shuttle-box‘).
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, das Laufmuster in einer schmalen und kleinen Kammer an drei verschiedenen Versuchsgruppen von Fliegen zu analysieren. Unter Verwendung des sogenannten triadischen Konzepts (Seligman and Maier, 1967) wurden die Fliegen drei unterschiedlichen Situationen ausgesetzt: Zufällige Elektroschocks (Yoked-Gruppe), durch Laufen abschaltbare Elektroschocks (Master-Gruppe) oder keine Bestrafung (Kontroll-Gruppe). Master-Fliegen wurden immer dann geschockt, wenn sie für länger als 0,9 Sekunden saßen. Unabhängig ihres Verhaltens erhielten die Yoked-Fliegen zeitgleich einen Schock um einen zufälligen Bestrafungsreiz zu generieren. Mit diesem so genannten ‚no-idleness‘ (nicht ruhen dürfen) Paradigma wurden die Fliegen entweder zehn Minuten oder 20 Minuten konditioniert. Während eine zehnminütige Konditionierung zu einem kurzen Nacheffekt führte (Nacheffekt von drei Minuten), stellte sich die zwanzigminütige Konditionierung als nachhaltiger heraus (Nacheffekt von zehn Minuten).
In einem zweiten Teil der Arbeit wurde das Verhalten der Fliegen sowohl während der zwanzig Minuten andauernden Konditionierung also auch im nachfolgenden zehnminütigen Test im Detail beschrieben. Während der zwanzigminütigen Konditionierung zeigten weibliche Yoked-Fliegen eine geringere Aktivität, saßen länger und liefen langsamer als Master- oder Kontroll-Fliegen. In der Zeit nach den Schocks, zeigten sie immer noch eine verminderte Lauffrequenz sowie kürzere und langsamere Laufphasen. Zusätzlich benötigten sie länger um nach dem Einsetzten eines Elektroschocks loszulaufen (Flucht-Latenzzeit) und machten weniger Kurzpausen die zwischen 1 bis 1,5 Sekunden lang waren. Dies unterstützt das Ergebnis der verlängerten Flucht-Latenzzeit. 
Männchen, die unter gleichen Bedingungen getestet wurden, wiesen im Vergleich zu weiblichen Fliegen eine leicht abgeschwächte Reaktion bezüglich des Master-Yoked-Unterschieds auf.
Wenn die Konditionierung mit dem anschließenden Test in der Schock- und der Hitzekammer gleichzeitig durchgeführt wurde, resultierte dies in vergleichbaren Ergebnissen: Fliegen, die keine Kontrolle über den Reiz haben, vermindern ihr Aktivitätslevel, sitzen seltener aber länger und laufen langsamer als die dazugehörigen Master-Fliegen. Neben der Tatsache, dass ein ähnlicher Effekt auftritt, weisen die Apparaturen dennoch kleine Unterschiede auf. Diese können zu Teilen mit den unterschiedlichen Luftfeuchtigkeitsniveaus als auch durch die Verschiedenheit der Laufoberfläche der jeweiligen Kammern erklärt werden. 
Wird den Fliegen die Kontrolle über die Schocks zurückgegeben, benötigen sie etwa sieben Minuten um dies zu erkennen. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Dopaminkonzentration in den Köpfen, im Vergleich zu Tieren die keine Schocks erhalten haben, vermindert war. Yoked-Fliegen wiesen außerdem unmittelbar nach der Konditionierung Defekte im Ortslernen und in ihrer positiven Reaktion auf Licht auf. 
Nachdem das Laufverhalten innerhalb der Kammern ausführlich charakterisiert wurde, geht diese Studie darauf ein, ob die Effekte, die in den Kammern gemessen wurden, auch in anderen Umgebungen zu beobachten sind. 
Im freien Lauf unterschieden sie sich lediglich von Fliegen, die keine Schocks erhalten hatten und es sind keine Auswirkungen durch Kontrollverlust im Paarungsverhalten festzustellen. Da die Handhabung der Tiere als Grund für den Verlust des Nacheffektes ausgeschlossen werden konnte, lässt sich schlussfolgern, dass das Verhalten das in den Kammern gemessen wurde, kontextabhängig ist. 
Zusätzlich zur Untersuchung der Auswirkungen unausweichlichen Stresses, wurde der Einfluss, der Aufzuchtbedingungen auf die Stress-Antwort in der vorliegenden Studie untersucht. Fliegen, die einzeln aufgezogen wurden, weisen bei beiden Geschlechtern eine verminderte Antwort auf Stress auf.
Im darauffolgenden Abschnitt wurden erste Schritte unternommen, um die neuronalen Grundlagen der Erlernten Hilflosigkeit zu untersuchen. Eine Mutante – fumin – die ein defektes Wiederaufnahmetransporter-Gen für Dopamin besitzt, wies eine verminderte Stressantwort auf. Während eine Mutante des Adenylatzyklasegens (rutabaga2080) normale Ergebnisse während der Konditionierung aufzeigten, war im Post-test kein signifikanter Nacheffekt messbar. Das Herunterregulieren des Adenylatcyclasengens (rutabaga), in verschiedenen Teilen der Pilzkörper, zeigte dass die Expression von rutabaga in den α’β’-Loben für die Entwicklung der Erlernten Hilflosigkeit im no-idleness Paradigma benötigt wird. Zudem konnten vorangegangene Studien bestätigt werden, die rutabaga eine Rolle im operanten Lernen jedoch nicht im klassischen Lernen zuordnen.
Als Fazit zeigt die Studie, dass nicht der Stressor selbst, sondern die Unkontrollierbarkeit des Stressors der Grund für die Entwicklung der Erlernten Hilflosigkeit darstellt und das Phänomen, innerhalb der hier gewählten Zeitspanne (20 Minuten Stress), kontextabhängig zu sein scheint.
KW  - Taufliege
KW  - Stress
KW  - Verhalten
KW  - Gelernte Hilflosigkeit
KW  - Erlernte Hilflosigkeit
KW  - Learned Helplessness
KW  - Behavior
KW  - Drosophila melanogaster
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-145416
ER  - 
TY  - THES
A1  - Andlauer, Till Felix Malte
T1  - Structural and Functional Diversity of Synapses in the Drosophila CNS
T1  - Strukturelle und funktionale Diversität von Synapsen im ZNS von Drosophila
N2  - Large-scale anatomical and functional analyses of the connectivity in both invertebrate and mammalian brains have gained intense attention in recent years. At the same time, the understanding of synapses on a molecular level still lacks behind. We have only begun to unravel the basic mechanisms of how the most important synaptic proteins regulate release and reception of neurotransmitter molecules, as well as changes of synaptic strength. Furthermore, little is known regarding the stoichiometry of presynaptic proteins at different synapses within an organism. An assessment of these characteristics would certainly promote our comprehension of the properties of different synapse types. Presynaptic proteins directly influence, for example, the probability of neurotransmitter release as well as mechanisms for short-term plasticity. We have examined the strength of expression of several presynaptic proteins at different synapse types in the central nervous system of Drosophila melanogaster using immunohistochemistry. Clear differences in the relative abundances of the proteins were obvious on different levels: variations in staining intensities appeared from the neuropil to the synaptic level. In order to quantify these differences, we have developed a ratiometric analysis of antibody stainings. By application of this ratiometric method, we could assign average ratios of presynaptic proteins to different synapse populations in two central relays of the olfactory pathway. In this manner, synapse types could be characterized by distinct fingerprints of presynaptic protein ratios. Subsequently, we used the method for the analysis of aberrant situations: we reduced levels of Bruchpilot, a major presynaptic protein, and ablated different synapse or cell types. Evoked changes of ratio fingerprints were proportional to the modifications we had induced in the system. Thus, such ratio signatures are well suited for the characterization of synapses. In order to contribute to our understanding of both the molecular composition and the function of synapses, we also characterized a novel synaptic protein. This protein, Drep-2, is a member of the Dff family of regulators of apoptosis. We generated drep-2 mutants, which did not show an obvious misregulation of apoptosis. By contrast, Drep-2 was found to be a neuronal protein, highly enriched for example at postsynaptic receptor fields of the input synapses of the major learning centre of insects, the mushroom bodies. Flies mutant for drep-2 were viable but lived shorter than wildtypes. Basic synaptic transmission at both peripheral and central synapses was in normal ranges. However, drep-2 mutants showed a number of deficiencies in adaptive behaviours: adult flies were locomotor hyperactive and hypersensitive towards ethanol-induced sedation. Moreover, the mutant animals were heavily impaired in associative learning. In aversive olfactory conditioning, drep-2 mutants formed neither short-term nor anaesthesia-sensitive memories. We could demonstrate that Drep-2 is required in mushroom body intrinsic neurons for normal olfactory learning. Furthermore, odour-evoked calcium transients in these neurons, a prerequisite for learning, were reduced in drep-2 mutants. The impairment of the mutants in olfactory learning could be fully rescued by pharmacological application of an agonist to metabotropic glutamate receptors (mGluRs). Quantitative mass spectrometry of Drep-2 complexes revealed that the protein is associated with a large number of translational repressors, among them the fragile X mental retardation protein FMRP. FMRP inhibits mGluR-mediated protein synthesis. Lack of this protein causes the fragile X syndrome, which constitutes the most frequent monogenic cause of autism. Examination of the performance of drep-2 mutants in courtship conditioning showed that the animals were deficient in both short- and long-term memory. Drep-2 mutants share these phenotypes with fmrp and mGluR mutants. Interestingly, drep-2; fmrp double mutants exhibited normal memory. Thus, we propose a model in which Drep-2 antagonizes FMRP in the regulation of mGluR-dependent protein synthesis. Our hypothesis is supported by the observation that impairments in synaptic plasticity can arise if mGluR signalling is imbalanced in either direction. We suggest that Drep-2 helps in establishing this balance.
N2  - Umfangreiche anatomische und funktionelle Analysen der Konnektivität in Gehirnen von Wirbellosen und Säugern haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten. Gleichzeitig ist unser Verständnis von Synapsen auf molekularer Ebene jedoch noch unvollständig. Wir haben erst damit begonnen, die grundlegenden Mechanismen zu entschlüsseln, nach denen die wichtigsten synaptischen Proteine die Ausschüttung und Erkennung von Neurotransmittern sowie Veränderungen der Stärke von Synapsen regulieren. Darüber hinaus ist auch über die Stöchiometrie präsynaptischer Proteine an verschiedenen Synapsen noch wenig bekannt. Eine Untersuchung dieser Eigenschaften würde zum besseren Verständnis der Merkmale verschiedener Synapsentypen beitragen. Präsynaptische Proteine beeinflussen zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit der Ausschüttung von Neurotransmittern sowie Mechanismen zur Erzeugung von Kurzzeit-Plastizität. Wir haben die Expressionsstärke mehrerer präsynaptischer Proteine an verschiedenen Synapsentypen des Zentralnervensystems von Drosophila melanogaster mittels Immunhistochemie untersucht. Auf mehreren Ebenen waren deutliche Unterschiede in der relativen Anreicherung der Proteine offensichtlich: Färbungsintensitäten variierten von der Neuropilebene bis zum einzelnen Synapsentyp. Um diese Unterschiede zu quantifizieren, haben wir eine ratiometrische Analyse von Antikörperfärbungen entwickelt. Mit dieser Methode war es möglich, verschiedenen Synapsenpopulationen zweier Schaltstellen der Riechbahn durchschnittliche Ratios präsynaptischer Proteine zuzuweisen. Synapsentypen konnten durch eindeutige Fingerabdrücke präsynaptischer Proteinratios charakterisiert werden. So gelang es uns, die Auswirkungen einer Verringerung der Menge des wichtigen präsynaptischen Proteins Bruchpilot sowie der Entfernung verschiedener Synapsen- und Zelltypen zu untersuchen. Die in diesen Situationen hervorgerufenen Veränderungen der Ratio-Fingerabdrücke entsprachen den von uns im System erzeugten Abweichungen. Ratios präsynaptischer Proteine eignen sich daher gut dafür, Synapsentypen zu charakterisieren. Um unser Verständnis von sowohl der molekularen Zusammensetzung als auch der Funktion von Synapsen zu verbessern, haben wir außerdem das neue synaptische Protein Drep-2 charakterisiert. Drep-2 gehört zu den Dff-Proteinen, einer Familie von Apoptoseregulatoren. Wir haben drep-2 Mutanten erzeugt, bei denen Zelltod jedoch nicht fehlreguliert erschien. Stattdessen stellte sich Drep-2 als neuronales Protein heraus, angereichert zum Beispiel postsynaptisch an Eingangssynapsen der Pilzkörper, den Lernzentren von Insekten. Fliegen, denen das Gen drep-2 fehlte, waren lebensfähig, lebten jedoch kürzer. Die basale Übertragung an peripheren und zentralen Synapsen erschien unverändert. Die Mutanten zeigten jedoch Ausfälle in verschiedenen adaptiven Verhaltensweisen: Die Fliegen waren hyperaktiv in ihrer Bewegung sowie hypersensibel gegenüber Ethanol. Zudem zeigten die Tiere ein stark eingeschränktes assoziatives Lernvermögen. In aversivem Geruchslernen konnten die Mutanten weder Kurz- noch Mittelzeiterinnerungen bilden. Wir konnten nachweisen, dass Drep-2 für normales Geruchslernen in Pilzköper-intrinsischen Neuronen benötigt wird. Außerdem waren bei den Mutanten in diesen Neuronen durch Gerüche hervorgerufene Kalziumsignale, eine Voraussetzung für Lernen, reduziert. Die Lerneinschränkungen der Mutanten konnten durch Gabe eines pharmakologischen Agonisten metabotroper Glutamatrezeptoren (mGluR) vollständig behoben werden. Quantitative Massenspektrometrie von Drep-2-Komplexen zeigte, dass das Protein mit einer großen Anzahl von Translationsrepressoren assoziiert ist. Unter diesen befand sich das Fragile X Protein FMRP. FMRP inhibiert mGluR-vermittelte Proteinsynthese. Ein Mangel an FMRP erzeugt das Fragile X Syndrom, die häufigste monogenetische Ursache für Autismus. Bei Balzkonditionierung konnten drep-2 Mutanten weder Kurz- noch Langzeiterinnerungen speichern. Diesen Phänotyp haben sie mit fmrp- und mGluR-Mutanten gemeinsam. Drep-2; fmrp Doppelmutanten hatten jedoch ein normales Gedächtnis. Wir gehen daher davon aus, dass Drep-2 FMRP bei der Regulierung von mGluR-abhängiger Translation entgegenwirkt. Die Beobachtung, dass synaptische Plastizität gestört sein kann, wenn mGluR-Signalwege unausgewogen sind, stärkt diese Hypothese. Wir nehmen an, dass Drep-2 dazu beiträgt, von mGluR erzeugte Signale zu balancieren.
KW  - Taufliege
KW  - Neurobiologie
KW  - Zentralnervensystem
KW  - Synapse
KW  - Molekulare Marker
KW  - Aktive Zone
KW  - Lernen und Gedächtnis
KW  - Pilzkörper
KW  - Fragiles X Syndrom
KW  - Active zone
KW  - Learning and memory
KW  - Mushroom body
KW  - Conditioning
KW  - Metabotropic glutamate receptor
KW  - Neurogenetik
KW  - Drosophila
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sareen, Preeti
T1  - Visual attention in Drosophila melanogaster
T1  - Visuelle Aufmerksamkeit bei Drosophila melanogaster
N2  - There is such vast amount of visual information in our surroundings at any time that filtering out the important information for further processing is a basic requirement for any visual system. This is accomplished by deploying attention to focus on one source of sensory inputs to the exclusion of others (Luck and Mangun 2009). Attention has been studied extensively in humans and non human primates (NHPs). In Drosophila, visual attention was first demonstrated in 1980 (Wolf and Heisenberg 1980) but this field remained largely unexplored until recently. Lately, however, studies have emerged that hypothesize the role of attention in several behaviors but do not specify the characteristic properties of attention. So, the aim of this research was to characterize the phenomenon of visual attention in wild-type Drosophila, including both externally cued and covert attention using tethered flight at a torque meter. Development of systematic quantifiable behavioral tests was a key aspect for this which was not only important for analyzing the behavior of a population of wild-type flies but also for comparing the wild-type flies with mutant flies. The latter would help understand the molecular, genetic, and neuronal bases of attention. Since Drosophila provides handy genetic tools, a model of attention in Drosophila will serve to the greater questions about the neuronal circuitry and mechanisms involved which might be analogous to those in primates. Such a model might later be used in research involving disorders of attention. Attention can be guided to a certain location in the visual field by the use of external cues. Here, using visual cues the attention of the fly was directed to one or the other of the two visual half-fields. A simple yet robust paradigm was designed with which the results were easily quantifiable. This paradigm helped discover several interesting properties of the cued attention, the most substantial one being that this kind of external guidance of attention is restricted to the lower part of the fly’s visual field. The guiding cue had an after-effect, i.e. it could occur at least up to 2 seconds before the test and still bias it. The cue could also be spatially separated from the test by at least 20° and yet attract the attention although the extent of the focus of attention (FoA) was smaller than one lower visual half-field. These observations excluded the possibility of any kind of interference between the test and the cue stimuli. Another interesting observation was the essentiality of continuous visibility of the test stimulus but not the cue for effective cuing. When the contrast of the visual scene was inverted, differences in response frequencies and cuing effects were observed. Syndirectional yaw torque responses became more frequent than the antidirectional responses and cuing was no longer effective in the lower visual field with inverted contrast. Interestingly, the test stimulus with simultaneous displacement of two stripes not only effectuated a phasic yaw torque response but also a landing response. A 50 landing response was produced in more than half of the cases whenever a yaw torque response was produced. Elucidation of the neuronal correlates of the cued attention was commenced. Pilot experiments with hydroxyurea (HU) treated flies showed that mushroom bodies were not required for the kind of guidance of attention tested in this study. Dopamine mutants were also tested for the guidance of attention in the lower visual field. Surprisingly, TH-Gal4/UAS-shits1 flies flew like wild-type flies and also showed normal optomotor response during the initial calibration phase of the experiment but did not show any phasic yaw torque or landing response at 18 °C, 25 °C or 30 °C. dumb2 flies that have almost no D1 dopamine receptor dDA1 expression in the mushroom bodies and the central complex (Kim et al. 2007) were also tested and like THGal4/ UAS-shits1 flies did not show any phasic yaw torque or landing response. Since the dopamine mutants did not show the basic yaw torque response for the test the role of dopamine in attention could not be deduced. A different paradigm would be needed to test these mutants. Not only can attention be guided through external cues, it can also be shifted endogenously (covert attention). Experiments with the windows having oscillating stripes nicely demonstrated the phenomenon of covert attention due to the production of a characteristic yaw torque pattern by the flies. However, the results were not easily quantifiable and reproducible thereby calling for a more systematic approach. Experiments with simultaneous opposing displacements of two stripes provide a promising avenue as the results from these experiments showed that the flies had a higher tendency to deliver one type of response than when the responses would be produced stochastically suggesting that attention increased this tendency. Further experiments and analysis of such experiments could shed more light on the mechanisms of covert attention in flies.
N2  - Zu jedem Zeitpunkt stellt unsere Umgebung eine so große Menge an visueller Information zur Verfügung, dass das Herausfiltern der wichtigen Informationen für eine weitere Verarbeitung eine grundlegende Herausforderung für jedes komplexe visuelle System darstellt. Bewerkstelligt wird dies u.a. mittels der selektiven Aufmerksamkeit, die die sensorischen Inputs einer Quelle, unter Ausschluss aller anderen, hervorhebt (Luck und Mangun 2009). Aufmerksamkeit wurde an Menschen und nichtmenschlichen Primaten bereits ausgiebig untersucht. Visuelle Aufmerksamkeit bei Drosophila konnte 1980 zum ersten Mal nachgewiesen werden (Wolf und Heisenberg 1980), jedoch blieb dieses Feld bis heute großen Teils unerforscht. In jüngster Zeit tauchten Studien auf, die der Aufmerksamkeit eine Rolle bei verschiedenen Verhaltensleistungen zuweisen, ohne jedoch die charakteristischen Eigenschaften von Aufmerksamkeit zu spezifizieren. Es ist das Ziel dieser Arbeit, das Phänomen der sowohl durch externe Reize ausgelösten, als auch endogen erzeugten (covert attention) visuellen Aufmerksamkeit bei wildtypischen Drosophila im stationären Flug am Drehmoment-Messgerät zu charakterisieren. Hierbei ist ein wesentlicher Aspekt durch die Entwicklung von quantitativen Tests das Verhalten von wildtypischen Fliegen so zu analysieren, dass es mit dem Verhalten genetischer Varianten verglichen werden kann. Ein solcher Vergleich würde helfen, die molekularen, genetischen und neuronalen Grundlagen der Aufmerksamkeit zu verstehen, da bei Drosophila für solche Untersuchungen einfach anwendbare genetische Werkzeuge zur Verfügung stehen. Ein Modell der Aufmerksamkeit bei Drosophila könnte auch für die visuelle Aufmerksamkeit bei Primaten relevant sein, falls diese Systeme homolog sind, d.h. in der Stammesgeschichte einen gemeinsamen Ursprung haben. Mittels äußerer Reize lässt sich die Aufmerksamkeit auf einen bestimmten Ort im visuellen Feld führen. In dieser Arbeit wird die Aufmerksamkeit einer Fliege durch visuelle Reize auf jeweils eines der beiden visuellen Halbfelder gelenkt. Es wird ein einfaches und robustes Paradigma entwickelt, dessen Ergebnisse ohne viel Aufwand quantifizierbar sind. Eine wesentliche Eigenschaft der exogen gelenkten visuellen Aufmerksamkeit, zu deren Entdeckung dieses Paradigma unter anderen beigetragen hat, ist, dass diese Art der Lenkung der Aufmerksamkeit auf den unteren Teil des visuellen Feldes der Fliege beschränkt ist. Der lenkende Reiz hat einen Nacheffekt, das heißt, er kann bis zu zwei Sekunden vor dem Test auftreten und dessen Ergebnis trotzdem beeinflussen. Auch bei einer räumlichen Trennung des Reizes vom Test um mindestens 20° kann er noch die Aufmerksamkeit auf diesen ziehen, wobei hier dann die Ausdehnung des Aufmerksamkeitsfeldes kleiner als ein unteres visuelles Halbfeld 52 ist. Durch diese Beobachtungen wird eine mögliche Interferenz zwischen Reiz und Test ausgeschlossen. Eine weitere interessante Beobachtung ist, dass für ein effektives Lenken der Aufmerksamkeit der Teststimulus aber nicht der lenkende Reiz durchgehend sichtbar sein muss. Eine Invertierung des Kontrastes der visuellen Reizgebung führt zu veränderten Antwortfrequenzen und Effekten der Aufmerksamkeitslenkung. So treten syndirektionale Drehmoment-Antworten häufiger auf als antidirektionale und die Lenkung der Aufmerksamkeit im unteren visuellen Feld durch einen vorhergehenden Reiz tritt nicht auf. Interessanterweise kann der Teststimulus, die simultane Verschiebung zweier Streifen nicht nur eine phasische Drehmoment-Antwort, sondern auch einen Landeversuch auslösen. Dieser wird in mehr als der Hälfte aller Fälle, in denen eine Drehmomentantwort gezeigt wird, beobachtet. Eine Untersuchung der neuronalen Korrelate der reizgelenkten Aufmerksamkeit wurde begonnen. In Pilotexperimenten mit Fliegen, die mit Hydroxyharnstoff (HU) behandelt worden waren, zeigte sich, dass die adulten Pilzkörper nicht für diese Art der Lenkung der Aufmerksamkeit, wie sie in der vorliegenden Arbeit untersucht wird, benötigt werden. Des weiteren wurden auch Fliegenmutanten mit Defekten im Dopamin-System getestet. Überraschenderweise flogen TH-Gal4/UAS-shits1 Fliegen wie wildtypische Fliegen und zeigten auch ein normales optomotorisches Verhalten während der anfänglichen Kalibrierungsphase des Experimentes. Sie zeigten jedoch weder phasische Drehmoment-Antworten noch Landeversuche bei 18°C, 25°C oder 30°C. Auch dumb2 Fliegen, die so gut wie keine D1 Dopaminrezeptoren in den Pilzkörpern und im Zentralkomplex exprimieren (Kim et al. 2007), zeigten die gleichen Verhaltensdefekte wie TH-Gal4/UAS-shits1 -Fliegen. Da bei den Dopaminmutanten die phasische Drehmomentantwort fehlte, konnte die Bedeutung von Dopamin für Aufmerksamkeit aus diesem Test nicht abgeleitet werden. Um diese Mutanten zu testen, bedarf es eines anderen Paradigmas. Die Richtung der Aufmerksamkeit kann nicht nur durch äußere Reize gelenkt, sondern auch endogen verändert werden (covert attention). Experimente mit zwei oszillierenden Streifenmustern in der rechten und linken Sehfeld-Hälfte verdeutlichen das Phänomen der endogen gesteuerten Aufmerksamkeit anschaulich, da die Fliegen hierbei charakteristische Drehmomentmuster für das eine oder andere Muster erzeugen. Weil diese Einzelbeobachtungen aber nicht leicht quantifizierbar sind, ist hier ein neuer Ansatz notwendig. Die obigen Experimente mit zwei einzelnen Streifen, die gleichzeitig nach rechts und links versetzt werden, versprechen systematischere Ergebnisse. Die Fliegen neigen stärker dazu einen bestimmten Antwort-Typ (Drehmoment nach links bzw. nach rechts) beizubehalten, als eine statistische Verteilung annehmen ließe. Es ist zu vermuten, dass dieser Effekt durch die Aufmerksamkeit hervorgerufen wird. Die Analyse solcher Experimente könnte also die endogene Steuerung der Aufmerksamkeit beleuchten.
KW  - Visuelle Aufmerksamkeit
KW  - Taufliege
KW  - Visuelle Aufmerksamkeit
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - Visual attention
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - torque meter
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69616
ER  -