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Sugar reward learning in Drosophila : neuronal circuits in Drosophila associative olfactory learning

Zucker-Belohnungslernen von Drosophila

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-17930
  • Genetic intervention in the fly Drosophila melanogaster has provided strong evidence that the mushroom bodies of the insect brain act as the seat of memory traces for aversive and appetitive olfactory learning (reviewed in Heisenberg, 2003). In flies, electroshock is mainly used as negative reinforcer. Unfortunately this fact complicates a comparative consideration with other inscets as most studies use sugar as positive reinforcer. For example, several lines of evidence from honeybee and moth have suggested another site, the antennal lobe, toGenetic intervention in the fly Drosophila melanogaster has provided strong evidence that the mushroom bodies of the insect brain act as the seat of memory traces for aversive and appetitive olfactory learning (reviewed in Heisenberg, 2003). In flies, electroshock is mainly used as negative reinforcer. Unfortunately this fact complicates a comparative consideration with other inscets as most studies use sugar as positive reinforcer. For example, several lines of evidence from honeybee and moth have suggested another site, the antennal lobe, to house neuronal plasticity underlying appetitive olfactory memory (reviewed in Menzel, 2001; Daly et al., 2004). Because of this I focused my work mainly on appetitive olfactory learning. In the first part of my thesis, I used a novel genetic tool, the TARGET system (McGuire et al., 2003), which allows the temporally controlled expression of a given effector gene in a defined set of cells. Comparing effector genes which either block neurotransmission or ablate cells showed important differences, revealing that selection of the appropriate effector gene is critical for evaluating the function of neural circuits. In the second part, a new engram of olfactory memory in the Drosophila projection neurons is described by restoring Rutabaga adenlylate cyclase (rut-AC) activity specifically in these cells. Expression of wild-type rutabaga in the projection neurons fully rescued the defect in sugar reward memory, but not in aversive electric shock memory. No difference was found in the stability of the appetitive memories rescued either in projection neurons or Kenyon cells. In the third part of the thesis I tried to understand how the reinforcing signals for sugar reward are internally represented. In the bee Hammer (1993) described a single octopaminergic neuron – called VUMmx1 – that mediates the sugar stimulus in associative olfactory reward learning. Analysis of single VUM neurons in the fly (Selcho, 2006) identified a neuron with a similar morphology as the VUMmx1 neuron. As there is a mutant in Drosophila lacking the last enzymatic step in octopamine synthesis (Monastirioti et al., 1996), Tyramine beta Hydroxylase, I was able to show that local Tyramine beta Hydroxylase expression successfully rescued sugar reward learning. This allows to conclude that about 250 cells including the VUM cluster are sufficient for mediating the sugar reinforcement signal in the fly. The description of a VUMmx1 similar neuron and the involvement of the VUM cluster in mediating the octopaminergic sugar stimulus are the first steps in establishing a neuronal map for US processing in Drosophila. Based on this work several experiments are contrivable to reach this ultimate goal in the fly. Taken together, the described similiarities between Drosophila and honeybee regarding the memory organisation in MBs and PNs and the proposed internal representation of the sugar reward suggest an evolutionarily conserved mechanism for appetitive olfactory learning in insects.show moreshow less
  • Arbeiten über das assoziative olfaktorische Lernen bei Drosophila, bei denen definierte Gruppen von Nerven genetisch verändert wurden, haben gezeigt, dass die Pilzkörper des Insektengehirns Gedächtnisspuren für aversives und appetitives Geruchslernen besitzen (Heisenberg, 2003). Hierzu wird bei der Fliege meistens Elektroschock als negativer Reiz bei der Pavlovschen Konditionierung benutzt. Leider erschwert dies einen Vergleich mit anderen Insekten, da in den meisten Studien Zucker als positiver Stimulus verwendet wird. InteressanterweiseArbeiten über das assoziative olfaktorische Lernen bei Drosophila, bei denen definierte Gruppen von Nerven genetisch verändert wurden, haben gezeigt, dass die Pilzkörper des Insektengehirns Gedächtnisspuren für aversives und appetitives Geruchslernen besitzen (Heisenberg, 2003). Hierzu wird bei der Fliege meistens Elektroschock als negativer Reiz bei der Pavlovschen Konditionierung benutzt. Leider erschwert dies einen Vergleich mit anderen Insekten, da in den meisten Studien Zucker als positiver Stimulus verwendet wird. Interessanterweise schlagen mehrere Arbeiten bei der Biene und der Motte zusätzlich zu den Pilzkörpern einen weiteren Bereich im Insektengehirn vor, der eine Gedächtnisspur des appetitiven Geruchslernens besitzt, die Antennalloben (Menzel, 2001; Daly et al., 2004). Aus diesen Gründen habe ich mich in meiner Arbeit intensiv mit dem appetitiven Geruchslernen beschäftigt. Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich das TARGET System verwendet (McGuire et al., 2003), welches die zeitlich kontrollierte Expression eines beliebigen Reportergens in definierten Zellen erlaubt. Ein Vergleich verschiedener Effektoren zeigte, dass Proteine, die die Neurotransmission blocken (Shits; TNT, Kir2.1), besser geeignet sind, um die Funktion neuronaler Schaltkreise in Drosophila zu untersuchen. Effektoren, die Zellen abtöten, entfalten lediglich während der Entwicklung ihre volle Aktivität und eignen sich daher, z.B. um das larvale Verhalten zu analysieren. Im zweiten Teil beschreibe ich eine neue Gedächtnisspur für das Geruchslernen in den Projektionsneuronen. Die Expression des wildtypischen rutabaga Gens ausschließlich in diesen Zellen, rettete den Defekt im Zuckerlernen, nicht aber im Elektroschocklernen. Ferner scheinen die Gedächtnisspuren des appetitven Geruchslernens im Pilzkörper und den Projektionsneuronen gleich stabil zu sein. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde die Frage gestellt, wie das Belohnungssignal des Zuckers im Fliegengehirn verarbeitet wird. Hammer (1993) beschrieb in der Biene ein einzelnes octopaminerges Neuron, das VUMmx1 Neuron, welches den Zuckerreiz beim assoziativen Geruchslernen vermittelt. Eine Einzelzellanalyse des VUM clusters von Drosophila zeigte ein ähnliches VUMmx1 Neuron erstmals bei der Fliege (M. Selcho, Diplomarbeit). Durch die lokale Expression der Tyramin beta Hydroxylase, das Oktopamin synthetisierende Enzym, im T-beta-H Mutanten Hintergrund, konnte gezeigt werden, dass ca. 250 Zellen (inklusive des VUM Clusters) ausreichen, das Belohnungssignal des Zuckers zu vermitteln. Beides, die Identifizierung eines VUMmx1 ähnlichen Neurons in der Fliege und die Eingrenzung der Neuronen, die das Belohnungssignal vermitteln, bilden die Basis für weitergehende Versuche. Diese erlauben es, neuronale Schaltkreise der US (Zucker)-Verarbeitung beim assoziativen olfaktorischen Lernen detailliert zu beschreiben. Insgesamt legen die übereinstimmenden Gedächtnisspuren im Pilzkörper und den Projektionsneuronen von Drosophila und der Honigbiene nahe, dass das olfaktorische Belohnungslernen einem in der Evolution konservierten Mechanismus entstammt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andreas Stephan Thum
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-17930
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2006/05/24
Language:English
Year of Completion:2006
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Taufliege; Geruchswahrnehmung; Lernen; Neurologie
Tag:Dropsophila; Gedächtnis; Lernen; Zucker
drosophila; learning; memory; sugar
Release Date:2006/05/29
Advisor:Prof. Martin Heisenberg