TY  - THES
A1  - Yang, Zhenghong
T1  - A systematic study of learned helplessness in Drosophila melanogaster
T1  - Eine systematische Untersuchung der erlernten Hilflosigkeit in Drosophila melanogaster
N2  - The learned helplessness phenomenon is a specific animal behavior induced by prior exposure to uncontrollable aversive stimuli. It was first found by Seligman and Maier (1967) in dogs and then has been reported in many other species, e.g. in rats (Vollmayr and Henn, 2001), in goldfishes (Padilla, 1970), in cockroaches (Brown, 1988) and also in fruit flies (Brown, 1996; Bertolucci, 2008). However, the learned helplessness effect in fruit flies (Drosophila melanogaster) has not been studied in detail. Thus, in this doctoral study, we investigated systematically learned helplessness behavior of Drosophila for the first time. 
Three groups of flies were tested in heatbox. Control group was in the chambers experiencing constant, mild temperature. Second group, master flies were punished in their chambers by being heated if they stopped walking for 0.9s. The heat pulses ended as soon as they resumed walking again. A third group, the yoked fly, was in their chambers at the same time. However, their behavior didn’t affect anything: yoked flies were heated whenever master flies did, with same timing and durations. After certain amount of heating events, yoked flies associated their own behavior with the uncontrollability of the environment. They suppressed their innate responses such as reducing their walking time and walking speed; making longer escape latencies and less turning around behavior under heat pulses. Even after the conditioning phase, yoked flies showed lower activity level than master and control flies. Interestingly, we have also observed sex dimorphisms in flies. Male flies expressed learned helplessness not like female flies. Differences between master and yoked flies were smaller in male than in female flies. Another interesting finding was that prolonged or even repetition of training phases didn’t enhance learned helplessness effect in flies. 
Furthermore, we investigated serotonergic and dopaminergic nervous systems in learned helplessness. Using genetic and pharmacological manipulations, we altered the levels of serotonin and dopamine in flies’ central nervous system. Female flies with reduced serotonin concentration didn’t show helpless behavior, while the learned helplessness effect in male flies seems not to be affected by a reduction of serotonin. Flies with lower dopamine level do not display the learned helplessness effect in the test phase, suggesting that with low dopamine the motivational change in learned helplessness in Drosophila may decline faster than with a normal dopamine level.
N2  - Das „learned helplessness“ Phänomen ist ein spezifisches Verhalten nach vorheriger Exposition von unkontrollierbaren aversiven Stimuli induziert. Es wurde zuerst von Seligman und Maier (1967) bei Hunden und dann in vielen anderen Tierarten berichtet, z.B. in Ratten (Vollmayr und Henn, 2001), in Goldfische (Padilla , 1970), in Kakerlaken (Brown, 1988) sowie in Fruchtfliegen (Brown, 1996; Bertolucci, 2008). Allerdings wurde das learned helplessness Phänomen in Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) noch nicht genau erforscht. Somit wird in dieser Doktorarbeit haben wir erlernten learned helplessness von Drosophila zum ersten Mal systematisch untersucht. 
Drei Gruppen von Fliegen wurden in Heatbox getestet. Die Kontrollgruppe war in den Kammern erlebter konstant milder Temperatur. Die zweite Master Gruppe wurde in ihren Kammern erhitzt, wenn sie blieb stehen für 0,9 s. Die Hitze endete, sobald sie sich wieder bewegten. Eine dritte Gruppe, die Yoked Fliegen, war in ihren Kammern gleichzeitig. Doch ihr Verhalten keine Auswirkungen auf die Hitze hatte: Yoked Fliegen wurden erhitzt, wenn Master Fliegen wurden, mit gleichen Zeitpunkt und Dauer. Nach gewissen Hitze Veranstaltungen, Yoked Fliegen assoziierten ihre eigenen Verhalten mit der Unkontrollierbarkeit der Umwelt. Sie unterdrückte ihre angeborene Reaktionen, wie die Verringerung ihrer Laufaktivität; verlängerte mehr Fluchtlatenzzeiten und weniger Umdrehen Verhalten unter Hitzen. Auch nach der Konditionierungsphase zeigte Yoked Fliegen niedrigeren Aktivität als Master und Kontrolle Fliegen. Interessanterweise haben wir auch Sex Dimorphismus in Fliegen beobachtet. Male Fliegen haben learned helplessness nicht wie weibliche Fliegen ausgedrückt. Die Unterschiede zwischen den Master und Yoked Fliegen waren bei männlichen kleiner als bei weiblichen Fliegen. Ein weiteres interessantes Ergebnis war, dass längere oder sogar wiederholte Trainingsphasen die lerned helplessness Wirkung bei Fliegen nicht  verstärken könnten.
Darüber hinaus haben wir serotonergen und dopaminerge Nervensysteme in learned helplessness erforscht. Mit genetischen und pharmakologischen Manipulationen, haben wir das Niveau von Serotonin und Dopamin im zentralen Nervensystem der Fliegen geändert. Weibliche Fliegen mit reduzierten Serotoninkonzentration zeigten kein hilflos Verhalten, während die learned helplessness Wirkung in männlichen Fliegen schien nicht durch eine Reduktion von Serotonin beeinflusst zu werden. Fliegen mit niedrigerer Dopamin Konzentration zeigten keine learned helplessness Wirkung in der Testphase an, was darauf hindeutet, dass mit niedrigen Dopamin die Motivationsänderung in learned helplessness in Drosophila kann schneller als mit einem normalen Dopaminspiegel sinken.
KW  - Taufliege
KW  - Gelernte Hilflosigkeit
KW  - Drosophila
KW  - learned helplessness
KW  - depression
KW  - learning and memory
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112424
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bertolucci, Franco
T1  - Operant and classical learning in Drosophila melanogaster: the ignorant gene (ign)
T1  - Operantes und klassisches Lernen in Drosophila melanogaster: das ignorant Gen (ign)
N2  - One of the major challenges in neuroscience is to understand the neuronal processes that underlie learning and memory. For example, what biochemical pathways underlie the coincidence detection between stimuli during classical conditioning, or between an action and its consequences during operant conditioning? In which neural substructures is this information stored? How similar are the pathways mediating these two types of associative learning and at which level do they diverge? The fly Drosophila melanogaster is an appropriate model organism to address these questions due to the availability of suitable learning paradigms and neurogenetic tools. It permits an extensive study of the functional role of the gene S6KII which in Drosophila had been found to be differentially involved in classical and operant conditioning (Bertolucci, 2002; Putz et al., 2004). Genomic rescue experiments showed that olfactory conditioning in the Tully machine, a paradigm for Pavlovian olfactory conditioning, depends on the presence of an intact S6KII gene. This rescue was successfully performed on both the null mutant and a partial deletion, suggesting that the removal of the phosphorylating unit of the kinase was the main cause of the functional defect. The GAL4/UAS system was used to achieve temporal and spatial control of S6KII expression. It was shown that expression of the kinase during the adult stage was essential for the rescue. This finding ruled out a developmental origin of the mutant learning phenotype. Furthermore, targeted spatial rescue of S6KII revealed a requirement in the mushroom bodies and excluded other brain structures like the median bundle, the antennal lobes and the central complex. This pattern is very similar to the one previously identified with the rutabaga mutant (Zars et al., 2000). Experiments with the double mutant rut, ign58-1 suggest that both rutabaga and S6KII operate in the same signalling pathway. Previous studies had already shown that deviating results from operant and classical conditioning point to different roles for S6KII in the two types of learning (Bertolucci, 2002; Putz, 2002). This conclusion was further strengthened by the defective performance of the transgenic lines in place learning and their normal behavior in olfactory conditioning. A novel type of learning experiment, called “idle experiment”, was designed. It is based on the conditioning of the walking activity and represents a purely operant task, overcoming some of the limitations of the “standard” heat-box experiment, a place learning paradigm. The novel nature of the idle experiment allowed exploring “learned helplessness” in flies, unveiling astonishing similarities to more complex organisms such as rats, mice and humans. Learned helplessness in Drosophila is found only in females and is sensitive to antidepressants.
N2  - Eine der größten Herausforderungen in der Neurobiologie ist es, die neuronalen Prozesse zu verstehen, die Lernen und Gedächtnis zugrundeliegen. Welche biochemischen Pfade liegen z.B. der Koinzidenzdetektion von Reizen (klassische Konditionierung) oder einer Handlung und ihren Konsequenzen (operante Konditionierung) zugrunde? In welchen neuronalen Unterstrukturen werden diese Informationen gespeichert? Wie ähnlich sind die Stoffwechselwege, die diese beiden Arten des assoziativen Lernens vermitteln und auf welchem Niveau divergieren sie? Drosophila melanogaster ist wegen der Verfügbarkeit von Lern-Paradigmen und neurogenetischen Werkzeugen ein geeigneter Modell-Organismus, zum diese Fragen zu adressieren. Er ermöglicht eine umfangreiche Studie der Funktion des Gens S6KII, das in der Taufliege in klassischer und operanter Konditionierung unterschiedlich involviert ist (Bertolucci, 2002; Putz et al., 2004). Rettungsexperimenten zeigen, dass die olfaktorische Konditionierung in der Tully Maschine (ein klassisches, Pawlow’sches Konditionierungsparadigma) von dem Vorhandensein eines intakten S6KII Gens abhängt. Die Rettung war sowohl mit einer vollständigen, als auch einer partiellen Deletion erfolgreich und dies zeigt, dass der Verlust der phosphorylierenden Untereinheit der Kinase die Hauptursache des Funktionsdefektes war. Das GAL4/UAS System wurde benutzt, um die S6KII Expression zeitlich und räumlich zu steuern. Es wurde gezeigt, dass die Expression der Kinase während des adulten Stadiums für die Rettung hinreichend war. Dieser Befund schließt eine Entwicklungsstörung als Ursache für den mutanten Phänotyp aus. Außerdem zeigte die gezielte räumliche Rettung von S6KII die Notwendigkeit der Pilzkörper und schloss Strukturen wie das mediane Bündel, die Antennalloben und den Zentralkomplex aus. Dieses Muster ist dem vorher mit der rutabaga Mutation identifizierten sehr ähnlich (Zars et al., 2000). Experimente mit der Doppelmutante rut, ign58-1 deuten an, dass rutabaga und S6KII im gleichen Signalweg aktiv sind. Vorhergehende Studien hatten bereits gezeigt, dass die unterschiedlichen Ergebnisse bei operanter und klassischer Konditionierung auf verschiedenen Rollen für S6KII in den zwei Arten des Lernens hindeuten (Bertolucci, 2002; Putz, 2002). Diese Schlussfolgerung wurde durch den mutanten Phänotyp der transgenen Linien in der Positionskonditionierung und ihr wildtypisches Verhalten in der klassischen Konditionierung zusätzlich bekräftigt. Eine neue Art von Lern-Experiment, genannt „Idle Experiment“, wurde entworfen. Es basiert auf der Konditionierung der Laufaktivität, stellt eine operante Aufgabenstellung dar und überwindet einige der Limitationen des „Standard“ Heat-Box Experimentes. Die neue Art des Idle Experimentes erlaubt es, „gelernte Hilflosigkeit“ in Fliegen zu erforschen, dabei zeigte sich eine erstaunliche Ähnlichkeit zu den Vorgängen in komplizierteren Organismen wie Ratten, Mäusen oder Menschen. Gelernte Hilflosigkeit in der Taufliege wurde nur in den Weibchen beobachtet und wird von Antidepressiva beeinflusst.
KW  - Klassische Konditionierung
KW  - Instrumentelle Konditionierung
KW  - Konditionierung
KW  - Operante Konditionierung
KW  - Lernen
KW  - Räumliches Gedächtnis
KW  - Assoziatives Gedächtnis
KW  - Gedächtnis
KW  - MAP-Kinase
KW  - Drosophila
KW  - Taufliege
KW  - Gelernte Hilflosigkeit
KW  - CREB
KW  - S6KII
KW  - p90RSK
KW  - RSK
KW  - p90 ribosomal S6 kinase
KW  - ribosomal S6 kinase II
KW  - operant conditioning
KW  - classical conditioning
KW  - associative learning
KW  - learned helplessness
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-33984
ER  - 
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  -