TY  - THES
A1  - Lindenberg [verh. Schubert], Annekathrin
T1  - Timing of sensory preferences in \(Camponotus\) Ants
T1  - Zeitliche Anpassung sensorischer Präferenzen in \(Camponotus\) Ameisen
N2  - Ants belong to the most successful insects living on our planet earth. One criterion of their tremendous success is the division of labor among workers that can be related to age (age¬– or temporal polyethism) and/ or body size (size–related polymorphism).  Young ants care for the queen and brood in the nest interior and switch to foraging tasks in the outside environment with ongoing age. This highly flexible interior–exterior transition probably allows the ant workers to properly match the colony needs and is one of the most impressive behaviors a single worker undergoes during its life. As environmental stimuli are changing with this transition, workers are required to perform a new behavioral repertoire. This requires significant adaptions in sensory and higher¬–order integration centers in the brain, like the mushroom bodies. Furthermore, foragers need proper time measuring mechanisms to cope with daily environmental changes and to adapt their own mode of life. Therefore, they possess a functional endogenous clock that generates rhythms with a period length of approximately 24 hours. The species–rich genus of Camponotus ants constitute a rewarding model to study how behavioral duties of division of labor were performed and modulated within the colony and how synaptic plasticity in the brain is processed, as they can divide their labor to both, age and body size, simultaneously.
In my PhD thesis, I started to investigate the behavioral repertoire (like foraging and locomotor activity) of two sympatric Camponotus species, C. mus and C. rufipes workers under natural and under controlled conditions. Furthermore, I focused on the division of labor in C. rufipes workers and started to examine structural and ultrastructural changes of neuronal architectures in the brain that are accompanied by the interior–exterior transition of C. rufipes ants. 
In the first part of my thesis, I started to analyze the temporal organization of task allocation throughout the life of single C. rufipes workers. Constant video–tracking of individually labeled workers for up to 11 weeks, revealed an age–related division of labor of interior and exterior workers. After emergence, young individuals are tended to by older ones within the first 48 hours of their lives before they themselves start nurturing larvae and pupae. Around 52% switch to foraging duties at an age of 14–20 days. The workers that switched to foraging 

tasks are mainly media–sized workers and seem to be more specialized than nurses. Variations in proportion and the age of switching workers between and within different subcolonies indicate how highly flexible and plastic the age–related division of labor occurs in this ant species. Most of the observed workers were engaged in foraging tasks exclusively during nighttime. As the experiments were conducted in the laboratory, they are completely lacking environmental stimuli of the ants´ natural habitat. 
I therefore asked in a second study, how workers of the two closely related Camponotus species, C. rufipes and C. mus, adapt their daily activity patterns (foraging and locomotor activity) under natural (in Uruguay, South America) and controlled (in the laboratory) conditions to changing thermal conditions. Monitoring the foraging activity of both Camponotus species in a field experiment revealed, that C. mus workers are exclusively diurnal, whereas C. rufipes foragers are predominantly nocturnal. However, some nests showed an elevated daytime activity, which could be an adaption to seasonally cold night temperatures. To further investigate the impact of temperature and light on the differing foraging activity patterns in the field, workers of both Camponotus species were artificially exposed to different thermal regimes in the laboratory, simulating local winter and summer conditions. Here again, C. mus workers display solely diurnal locomotor activity, whereas workers of C. rufipes shifted their locomotor activity from diurnal under thermal winter conditions to nocturnal under thermal summer conditions. Hence, the combination of both, field work and laboratory studies, shows that daily activity is mostly shaped by thermal conditions and that temperature cycles are not just limiting foraging activity but can be used as zeitgeber to schedule the outside activities of the nests. 
Once an individual worker switches from indoor duties to exterior foraging tasks, it is confronted with an entirely new set of sensory information. To cope with changes of the environmental conditions and to facilitate the behavioral switch, workers need a highly flexible and plastic neuronal system. Hence, my thesis further focuses on the underlying neuronal adaptations of the visual system, including the optic lobes as the primary visual neuropil and the mushroom bodies as secondary visual brain neuropil, that are accompanied with the behavioral switch from nursing to foraging. The optic lobes as well as the mushroom bodies of light–deprived workers show an `experience–independent´ volume increase during the first two weeks of adulthood. An additional light exposure for 4 days induces an `experience–dependent´ decrease of synaptic complexes in the mushroom body collar, 

followed by an increase after extended light exposure for 14 days. I therefore conclude, that the plasticity of the central visual system represents important components for the optimal timing of the interior–exterior transitions and flexibility of the age–related division of labor. These remarkable structural changes of synaptic complexes suggest an active involvement of the mushroom body neuropil in the lifetime plasticity that promotes the interior–exterior transition of Camponotus rufipes ants. Beside these investigations of neuronal plasticity of synaptic complexes in the mushroom bodies on a structural level, I further started to examine mushroom body synaptic structures at the ultrastructural level. Until recently, the detection of synaptic components in projection neuron axonal boutons were below resolution using classical Transmission Electron Microscopy. Therefore, I started to implement Electron Tomography to increase the synaptic resolution to understand architectural changes in neuronal plasticity process. By acquiring double tilt series and consecutive computation of the acquired tilt information, I am now able to resolve individual clear–core and dense–core vesicles within the projection neuron cytoplasm of C. rufipes ants. I additionally was able to reveal single postsynaptic Kenyon cell dendritic spines (~62) that surround one individual projection neuron bouton. With this, I could reveal first insights into the complex neuronal architecture of single projection neuron boutons in the olfactory mushroom body lip region. The high resolution images of synaptic architectures at the ultrastructural level, received with Electron Tomography would promote the understanding of architectural changes in neuronal plasticity.

In my PhD thesis, I demonstrate that the temporal organization within Camponotus colonies involves the perfect timing of different tasks. Temperature seems to be the most scheduling abiotic factors of foraging and locomotor activity. The ants do not only need to adapt their behavioral repertoire in accordance to the interior–exterior switch, also the parts in the peripheral and central that process visual information need to adapt to the new sensory environment.
N2  - Ameisen gehören zu den erfolgreichsten Insekten unserer Erde. Hauptverantwortlich für ihren enormen Erfolg ist die Arbeitsteilung der Arbeiterinnenkaste. Ameisenarbeiterinnen können sich ihre Aufgaben abhängig ihrer Körpergröße teilen (Größenpolymorphismus), indem unterschiedlich große Tiere verschiedenen Aufgaben in der Kolonie nachgehen. Zusätzlich kann die Arbeitsteilung aber auch altersbedingt sein (auch genannt Alters– oder zeitlicher Polyethismus): Junge Ameisen kümmern sich um die Königin und Brut innerhalb des Nestes, bevor sie mit zunehmendem Alter das Nest verlassen und zu Futtersammlerinnen (Furageuren) werden. Der extrem anpassungsfähige Wechsel von Innen¬– zu Außendiensttieren ist einer der erstaunlichsten Verhaltensweisen, die Arbeiterinnen an den Tag legen und ermöglicht es ihnen, den unterschiedlichen Bedürfnissen ihrer Kolonie nachzugehen. Der Übergang der Ammentätigkeit zum Furagieren ist mit beträchtlichen Veränderungen der sensorischen Umgebung der einzelnen Arbeiterinnen verbunden und erfordert eine Verhaltensanpassung an diese neuen Gegebenheiten. Wenn sich die Verhaltensweisen der Arbeiterinnen ändert, führt das zu Anpassungen der sensorischen und höheren Verschaltungszentren in bestimmten Gehirnarealen. Eines dieser sensorischen Verarbeitungszentren sind die Pilzkörper. Außerdem müssen Furageure in der Lage sein, tägliche Veränderungen ihrer Umwelt wahrzunehmen, um ihre Verhaltensweisen stets optimal an die sich ändernde Umwelt anzupassen. Dafür brauchen sie eine funktionierende innere Uhr, die rhythmisch mit einer Periodenlänge von ca. 24 Stunden läuft. Die artenreiche Gattung der Camponotus Ameisen ist ein geeigneter Organismus, um die Verhaltensweisen die mit der Arbeitsteilung der Arbeiterinnenkaste einhergehen, zu untersuchen, da sowohl der Größenpolymorphismus als auch der Alterspolyethismus zeitgleich in dieser Gattung auftauchen können. Dadurch eignen sich Camponotus Ameisen auch hervorragend, um strukturelle Veränderungen synaptischer Komplexe im Gehirn, die sich durch die Arbeitsteilung ändern können, zu untersuchen.
In meiner Doktorarbeit habe ich damit angefangen, die Verteilung von bestimmten Aufgaben (Ammen und Furageure) von C. rufipes Arbeiterinnen zu untersuchen. Mithilfe von Videoaufnahmen über elf Wochen, konnte ich sowohl eine altersabhängige, als auch 

eine größenabhängige Arbeitsteilung zwischen Ammen und Furageuren für diese Art zeigen. Frisch geschlüpfte Tiere wurden innerhalb der ersten 48 Stunden von anderen Ammen umsorgt, bevor sie selbst zu Ammen wurden und Aufgaben wie Brutpflege übernommen haben. Nach rund 14–20 Tagen sind 53% der Ammen zu Furageuren gewechselt. Zusätzlich zu der altersabhängigen Arbeitsteilung konnte ich zeigen, dass die Körpergröße der Ammen deutlich breiter gestreut ist als die der Furageure, was in einer höheren Spezialisierung der Furageure resultiert. Proportionale Unterschiede des Alters und der Größe der Tiere, die diesen Wechsel vollzogen haben zeigen, wie hoch flexibel und anpassungsfähig die Arbeitsteilung innerhalb der Arbeiterinnenkaste sein kann. Die meisten der beobachteten Furageure waren außerdem fast ausschließlich nachtaktiv. Da ich diese Experimente im Labor durchgeführt habe, fehlt es komplett an der natürlichen sensorischen Umgebung der Tiere. 
In dem zweiten Teil meiner Doktorarbeit habe ich mich damit beschäftigt, ob sich tägliche Aktivitätsmuster (Furagier– und Bewegungsaktivität) von Arbeiterinnen zweier nah verwandter Camponotus Arten (C. rufipes und C. mus) unter natürlichen Bedingungen (in Uruguay, Südamerika) und unter kontrollierten Bedingungen (im Labor), in Abhängigkeit von den abiotischen Faktoren Licht und Temperatur, verändern können. Meine Ergebnisse zeigen, dass C. mus Arbeiterinnen unter natürlichen Bedingungen strikt tagaktiv sind, wohingegen C. rufipes Arbeiterinnen vornehmlich nachts furagierten. Ein paar C. rufipes Nester zeigten allerdings eine erhöhte Furagieraktivität tagsüber, was auf die saisonal kalten Nächte zurückzuführen sein könnte. Um den Einfluss von Licht und Temperatur, der sich auf die Furagieraktivität im Feld gezeigt hat, genauer untersuchen zu können, wurden Arbeiterinnen beider Camponotus Arten verschiedenen Licht– und Temperaturbedingungen im Labor ausgesetzt. Auch hier zeigten Arbeiterinnen der Gattung C. mus eine strikt tagaktive Bewegungsaktivität, wohingegen C. rufipes Arbeiterinnen von tagaktiv unter Winter Temperaturbedingungen zu nachaktiv unter Sommer Temperaturbedingungen wechselten. Die Kombination aus den Ergebnissen der Feld– und Laborstudien zeigen deutlich, dass die generelle Aktivität der beiden Arten hauptsächlich durch Licht und Temperatur beeinflusst wird und dass Temperaturzyklen nicht nur ein limitierender Faktor der Furagieraktivität sind, sondern auch als Zeitgeber dienen können um Aktivität generell zu regulieren.


Wenn der Übergang von Innen– zu Außendiensttieren stattgefunden hat, ändert sich die komplette sensorische Umgebung der Furageure. Um diese Veränderungen verarbeiten zu können, brauchen Arbeiterinnen ein hoch anpassungsfähiges und flexibles neuronales System. Daher beschäftigte ich mich in meiner Doktorarbeit außerdem mit den zugrundeliegenden neuronalen Anpassungen der visuellen Verarbeitungsregionen im Gehirn, wie die optischen Loben und die Pilzkörper, die mit dem Wechsel von Ammen zu Furageuren einhergehen. Ich konnte zeigen, dass die optischen Loben und die Pilzkörper von im Dunkeln gehaltenen Arbeiterinnen eine `Erfahrungs–unabhängige´ Volumenszunahme innerhalb der ersten zwei Wochen nach dem Schlupf zeigen. Eine folgende Lichtexposition von vier Tagen führte zu einer `Erfahrungs–abhängigen´ Abnahme der synaptischen Strukturen im Pilzkörper, die allerdings durch eine länger anhaltende Lichtexposition von 14 Tagen wieder anstieg. Diese Plastizität des zentralen visuellen Nervensystems repräsentiert eine wichtige Komponente für die optimale zeitliche Anpassung des Wechsels von Ammen zu Furageuren und die enorme Flexibilität der altersabhängigen Arbeitsteilung. Außerdem scheinen die Pilzkörper durch diese beeindruckenden strukturellen Veränderungen der synaptischen Komplexe aktiv an dieser neuronalen Plastizität beteiligt zu sein und daher den Übergang von Innen– zu Außendiensttieren in C. rufipes Ameisen zu unterstützen. Neben meinen Untersuchungen zur neuronalen Plastizität synaptischer Komplexe im Pilzkörper auf der strukturellen Ebene, habe ich damit begonnen, diese Plastizität der neuronalen Komplexe auch auf Ultrastruktur Ebene zu untersuchen. Durch die zu geringe Auflösungsmöglichkeit der klassischen Transmissions Elektronenmikroskopie, konnten bisher einzelne synaptischer Komponenten in den axonalen Endigungen der Projektionsneurone nicht detektiert werden. Deswegen habe ich damit angefangen, die Methode der Elektronen Tomographie zu etablieren um die Auflösung synaptischer Komplexe zu verbessern. Mit dieser höheren Auflösung ist es möglich, bauliche Veränderungen der synaptischen Komplexe in Plastizitätsprozessen besser zu verstehen. Mit der Durchführung von `double tilt´ Serien und der anschließenden Verarbeitung der erhaltenen Bildinformation, war es mir möglich, einzelne `clear–core´ und `dense–core´ Vesikel innerhalb des Zytoplasmas der Projektionsneurone von C. rufipes Ameisen detektieren. Außerdem konnte ich mit dieser Methode einzelne postsynaptische dendritische Dornen der Kenyon Zellen (~62) identifizieren, die ein einzelnes Endknöpfchen eines Projektionsneurons umgeben.  In diesem Teil meiner Arbeit konnte ich erste Einblicke in die komplexe neuronale Bauweise einzelner Endigungen der Projektionsneurone in der 

olfaktorischen Region der Pilzkörper zeigen. Die hochauflösenden Bilder synaptischer Komplexe auf dem Ultrastruktur Level, die man mit der Elektronen Tomographie erzielen kann, bringen das Verständnis baulicher Veränderungen innerhalb der neuronales Plastizität voran.
In meiner Doktorarbeit konnte ich zeigen, dass die zeitliche Organisation verschiedener Aufgaben innerhalb der Kolonien von Camponotus Ameisen einer perfekten Zeitplanung bedarf. Hier scheinen die abiotischen Faktoren Temperatur und Licht den größten Einfluss auf die Furagieraktivität und die generelle Aktivität zu haben. Die Ameisenarbeiterinnen müssen nicht nur ihre Verhaltensweise nach dem Übergang von Ammen zu Furageuren anpassen, es müssen sich auch die Teile des Gehirns, die für die Verarbeitung visueller Reize zuständig sind, dieser neuen sensorischen Umgebung anpassen.
KW  - Rossameise
KW  - Pilzkörper
KW  - Arbeitsteilung
KW  - Furagieraktivität
KW  - foraging activity
KW  - Neuronales visuelles System
KW  - neuronal visual system
KW  - Camponotus rufipes
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160948
ER  - 
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
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stieb, Sara Mae
T1  - Synaptic plasticity in visual and olfactory brain centers of the desert ant Cataglyphis
T1  - Synaptische Plastizität visueller und olfaktorischer Gehirnzentren der Wüstenameise Cataglyphis
N2  - Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis wurden zu Modellsystemen bei der Erforschung der Navigationsmechanismen der Insekten. Ein altersabhängiger Polyethismus trennt deren Kolonien in Innendienst-Arbeiterinnen und kurzlebige lichtausgesetzte Fourageure. Nachdem die Ameisen in strukturlosem oder strukturiertem Gelände bis zu mehrere hundert Meter weite Distanzen zurückgelegt haben, können sie präzise zu ihrer oft unauffälligen Nestöffnung zurückzukehren. Um diese enorme Navigationsleistung zu vollbringen, bedienen sich die Ameisen der sogenannten Pfadintegration, welche die Informationen aus einem Polarisationskompass und einem Entfernungsmesser verrechnet; des Weiteren orientieren sie sich an Landmarken und nutzen olfaktorische Signale. Im Fokus dieser Arbeit steht C. fortis, welche in Salzpfannen des westlichen Nordafrikas endemisch ist - einem Gebiet, welches vollständig von anderen Cataglyphis Arten gemieden wird. Die Tatsache, dass Cataglyphis eine hohe Verhaltensflexibilität aufweist, welche mit sich drastisch ändernden sensorischen Anforderungen verbunden ist, macht diese Ameisen zu besonders interessanten Studienobjekten bei der Erforschung synaptischer Plastizität visueller und olfaktorischer Gehirnzentren. Diese Arbeit fokussiert auf plastische Änderungen in den Pilzkörpern (PK) - sensorischen Integrationszentren, die mutmaßlich an Lern- und Erinnerungsprozessen, und auch vermutlich am Prozess des Landmarkenlernens beteiligt sind - und auf plastische Änderungen in den synaptischen Komplexen des Lateralen Akzessorischen Lobus (LAL) – einer bekannten Relaisstation in der Polarisations-Leitungsbahn. Um die strukturelle synaptische Plastizität der PK in C. fortis zu quantifizieren, wurden mithilfe immunozytochemischer Färbungen die prä- und postsynaptischen Profile klar ausgeprägter synaptischer Komplexe (Mikroglomeruli, MG) der visuellen Region (Kragen) und der olfaktorischen Region (Lippe) der PK-Kelche visualisiert. Die Ergebnisse legen dar, dass eine Volumenzunahme der PK-Kelche während des Übergangs von Innendiensttieren zu Fourageuren von einer Abnahme der MG-Anzahl im Kragen und, mit einem geringeren Anteil, in der Lippe - dieser Effekt wird als Pruning bezeichnet - und einem gleichzeitigen Auswachsen an Dendriten PK-intrinsischer Kenyonzellen begleitet wird. Im Dunkeln gehaltene Tiere unterschiedlichen Alters zeigen nach Lichtaussetzung den gleichen Effekt und im Dunkel gehaltene, den Fourageuren altersmäßig angepasste Tiere weisen eine vergleichbare MG-Anzahl im Kragen auf wie Innendiensttiere. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die immense strukturelle synaptische Plastizität in der Kragenregion der PK-Kelche hauptsächlich durch visuelle Erfahrungen ausgelöst wird und nicht ausschließlich mit Hilfe eines internen Programms abgespielt wird. Ameisen, welche unter Laborbedingungen bis zu einem Jahr alt wurden, zeigen eine vergleichbare Plastizität. Dies deutet darauf hin, dass das System über die ganze Lebensspanne eines Individuums flexibel bleibt. Erfahrene Fourageure wurden in Dunkelheit zurückgeführt, um zu untersuchen, ob die lichtausgelöste synaptische Umstrukturierung reversibel ist, doch ihre PK zeigen nur einige die Zurückführung widerspiegelnde Plastizitätsausprägungen, besonders eine Änderung der präsynaptischen Synapsinexprimierung. Mithilfe immunozytochemischer Färbungen, konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden die prä- und postsynaptischen Strukturen synaptischer Komplexe des LAL in C. fortis analysiert und potentielle strukturelle Änderungen bei Innendiensttieren und Fourageuren quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Komplexe aus postsynaptischen, in einer zentralen Region angeordneten Fortsätzen bestehen, welche umringt sind von einem präsynaptischen kelchartigen Profil. Eingehende und ausgehende Trakte wurden durch Farbstoffinjektionen identifiziert: Projektionsneurone des Anterioren Optischen Tuberkels kontaktieren Neurone, welche in den Zentralkomplex ziehen. Der Verhaltensübergang wird von einer Zunahme an synaptischen Komplexen um ~13% begleitet. Dieser Zuwachs suggeriert eine Art Kalibrierungsprozess in diesen potentiell kräftigen synaptischen Kontakten, welche vermutlich eine schnelle und belastbare Signalübertragung in der Polarisationsbahn liefern. Die Analyse von im Freiland aufgenommener Verhaltenweisen von C. fortis enthüllen, dass die Ameisen, bevor sie mit ihrer Fouragiertätigkeit anfangen, bis zu zwei Tage lang in unmittelbarer Nähe des Nestes Entdeckungsläufe unternehmen, welche Pirouetten ähnliche Drehungen beinhalten. Während dieser Entdeckungsläufe sammeln die Ameisen Lichterfahrung und assoziieren möglicherweise den Nesteingang mit spezifischen Landmarken oder werden anderen visuellen Informationen, wie denen des Polarisationsmusters, ausgesetzt und adaptieren begleitend ihre neuronalen Netzwerke an die bevorstehende Herausforderung. Darüber hinaus könnten die Pirouetten einer Stimulation der an der Polarisationsbahn beteiligten neuronalen Netzwerke dienen. Videoanalysen legen dar, dass Lichtaussetzung nach drei Tagen die Bewegungsaktivität der Ameisen heraufsetzt. Die Tatsache, dass die neuronale Umstrukturierung in visuellen Zentren wie auch die Veränderungen im Verhalten im selben Zeitrahmen ablaufen, deutet darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen struktureller synaptischer Plastizität und dem Verhaltensübergang von der Innendienst- zur Fouragierphase bestehen könnte. Cataglyphis besitzen hervorragende visuelle Navigationsfähigkeiten, doch sie nutzen zudem olfaktorische Signale, um das Nest oder die Futterquelle aufzuspüren. Mithilfe konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden potentielle Anpassungen der primären olfaktorischen Gehirnzentren untersucht, indem die Anzahl, Größe und räumliche Anordnung olfaktorischer Glomeruli im Antennallobus von C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, und C. noda verglichen wurde. Arbeiterinnen aller Cataglyphis-Arten haben eine geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu denen der mehr olfaktorisch-orientierten Formica Arten - einer Gattung nah verwandt mit Cataglyphis - und denen schon bekannter olfaktorisch-orientierter Ameisenarten. C. fortis hat die geringste Anzahl an Glomeruli im Vergleich zu allen anderen Cataglyphis-Arten und besitzt einen vergrößerten Glomerulus, der nahe dem Eingang des Antennennerves lokalisiert ist. C. fortis Männchen besitzen eine signifikant geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu Arbeiterinnen und Königinnen und haben einen hervorstechenden Männchen-spezifischen Makroglomerulus, welcher wahrscheinlich an der Pheromon-Kommunikation beteiligt ist. Die Verhaltensrelevanz des vergrößerten Glomerulus der Arbeiterinnen bleibt schwer fassbar. Die Tatsache, dass C. fortis Mikrohabitate bewohnt, welche von allen anderen Cataglyphis Arten gemieden werden, legt nahe, dass extreme ökologische Bedingungen nicht nur zu Anpassungen der visuellen Fähigkeiten, sondern auch des olfaktorischen Systems geführt haben. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht, dass Cataglyphis ein exzellenter Kandidat ist bei der Erforschung neuronaler Mechanismen, welche Navigationsfunktionalitäten zugrundeliegen, und bei der Erforschung neuronaler Plastizität, welche verknüpft ist mit der lebenslangen Flexibilität eines individuellen Verhaltensrepertoires.
N2  - Desert ants of the genus Cataglyphis have become model systems for the study of insect navigation. An age-related polyethism subdivides their colonies into interior workers and short-lived light-exposed foragers. While foraging in featureless and cluttered terrain over distances up to several hundred meters, the ants are able to precisely return back to their often inconspicuous nest entrance. They accomplish this enormous navigational performance by using a path integration system - including a polarization compass and an odometer - as their main navigational means in addition to landmark-dependent orientation and olfactory cues. C. fortis, being the focus of the present thesis, is endemic to the salt flats of western North Africa, which are completely avoided by other Cataglyphis species. The fact that Cataglyphis ants undergo a behavioral transition associated with drastically changing sensory demands makes these ants particularly interesting for studying synaptic plasticity in visual and olfactory brain centers. This thesis focuses on plastic changes in the mushroom bodies (MBs) - sensory integration centers supposed to be involved in learning and memory presumably including landmark learning - and in synaptic complexes belonging to the lateral accessory lobe (LAL) known to be a relay station in the polarization processing pathway. To investigate structural synaptic plasticity in the MBs of C. fortis, synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the visual (collar) and olfactory (lip) input regions of the MB calyx were immunolabeled and their pre- and postsynaptic profiles were quantified. The results show that a volume increase of the MB calyx during behavioral transition is associated with a decrease of MG number - an effect called pruning - in the collar and, less pronounced, in the lip that goes along with dendritic expansion in MB intrinsic Kenyon cells. Light-exposure of dark-reared ants of different age classes revealed similar effects and dark-reared ants age-matched to foragers had MG numbers comparable to those of interior workers. The results indicate that the enormous structural synaptic plasticity of the MB calyx collar is primarily driven by visual experience rather than by an internal program. Ants aged artificially for up to one year expressed a similar plasticity indicating that the system remains flexible over the entire life-span. To investigate whether light-induced synaptic reorganization is reversible, experienced foragers were transferred back to darkness with the result that their MBs exhibit only some reverse-type characteristics, in particular differences in presynaptic synapsin expression. To investigate the structure of large synaptic complexes in the LAL of C. fortis and to detect potential structural changes, pre- and postsynaptic profiles in interior workers and foragers were immunolabeled and quantified by using confocal imaging and 3D-reconstruction. The results show that these complexes consist of postsynaptic processes located in a central region that is surrounded by a cup-like presynaptic profile. Tracer injections identified input and output tracts of the LAL: projection neurons from the anterior optic tubercle build connections with neurons projecting to the central complex. The behavioral transition is associated with an increase by ~13% of synaptic complexes suggesting that the polarization pathway may undergo some sort of calibration process. The structural features of these synaptic contacts indicate that they may serve a fast and reliable signal transmission in the polarization vision pathway. Behavioral analyses of C. fortis in the field revealed that the ants perform exploration runs including pirouette-like turns very close to the nest entrance for a period of up to two days, before they actually start their foraging activity. During these orientation runs the ants gather visual experience and might associate the nest entrance with specific landmarks or get entrained to other visual information like the polarization pattern, and, concomitantly adapt their neuronal circuitries to the upcoming challenges. Moreover, the pirouettes may serve to stimulate and calibrate the neuronal networks involved in the polarization compass pathway. Video recordings and analyses demonstrate that light experience enhanced the ants’ locomotor activity after three days of exposure. The fact that both the light-induced behavioral and neuronal changes in visual brain centers occur in the same time frame suggests that there may be a link between structural synaptic plasticity and the behavioral transition from interior tasks to outdoor foraging. Desert ants of the genus Cataglyphis possess remarkable visual navigation capabilities, but also employ olfactory cues for detecting nest and food sites. Using confocal imaging and 3D-reconstruction, potential adaptations in primary olfactory brain centers were analyzed by comparing the number, size and spatial arrangement of olfactory glomeruli in the antennal lobe of C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, and C. noda. Workers of all Cataglyphis species have smaller numbers of glomeruli compared to those of more olfactory-guided Formica species - a genus closely related to Cataglyphis - and to those previously found in other olfactory-guided ant species. C. fortis has the lowest number of glomeruli compared to all other species, but possesses a conspicuously enlarged glomerulus that is located close to the antennal nerve entrance. Males of C. fortis have a significantly smaller number of glomeruli compared to female workers and queens and a prominent male-specific macroglomerulus likely to be involved in sex pheromone communication. The behavioral significance of the enlarged glomerulus in female workers remains elusive. The fact that C. fortis inhabits microhabitats that are avoided by all other Cataglyphis species suggests that extreme ecological conditions may not only have resulted in adaptations of visual capabilities, but also in specializations of the olfactory system. The present thesis demonstrates that Cataglyphis is an excellent candidate for studying the neuronal mechanisms underlying navigational features and for studying neuronal plasticity associated with the ant’s lifelong flexibility of individual behavioral repertoires.
KW  - Neuroethologie
KW  - Plastizität
KW  - Cataglyphis
KW  - Visuelles System
KW  - Soziale Insekten
KW  - Synaptische Plastizität
KW  - Verhaltenplastizität
KW  - Pilzkörper
KW  - Mikroglomeruli
KW  - Antennallobus
KW  - synaptic plasticity
KW  - behavioral maturation
KW  - mushroom body
KW  - microglomeruli
KW  - antennal lobe
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85584
ER  -