Fabian Dominik Schmalz

• The behavior of honeybees and bumblebees relies on a constant sensory integration of abiotic or biotic stimuli. As eusocial insects, a sophisticated intraspecific communication as well as the processing of multisensory cues during foraging is of utter importance. To tackle the arising challenges, both honeybees and bumblebees have evolved a sophisticated olfactory and visual processing system. In both organisms, olfactory reception starts at the antennae, where olfactory sensilla cover the antennal surface in a sex-specific manner. TheseThe behavior of honeybees and bumblebees relies on a constant sensory integration of abiotic or biotic stimuli. As eusocial insects, a sophisticated intraspecific communication as well as the processing of multisensory cues during foraging is of utter importance. To tackle the arising challenges, both honeybees and bumblebees have evolved a sophisticated olfactory and visual processing system. In both organisms, olfactory reception starts at the antennae, where olfactory sensilla cover the antennal surface in a sex-specific manner. These sensilla house olfactory receptor neurons (ORN) that express olfactory receptors. ORNs send their axons via four tracts to the antennal lobe (AL), the prime olfactory processing center in the bee brain. Here, ORNs specifically innervate spheroidal structures, so-called glomeruli, in which they form synapses with local interneurons and projection neurons (PN). PNs subsequently project the olfactory information via two distinct tracts, the medial and the lateral antennal-lobe tract, to the mushroom body (MB), the main center of sensory integration and memory formation. In the honeybee calyx, the sensory input region of the MB, PNs synapse on Kenyon cells (KC), the principal neuron type of the MB. Olfactory PNs mainly innervate the lip and basal ring layer of the calyx. In addition, the basal ring receives input from visual PNs, making it the first site of integration of visual and olfactory information. Visual PNs, carrying sensory information from the optic lobes, send their terminals not only to the to the basal ring compartment but also to the collar of the calyx. Receiving olfactory or visual input, KCs send their axons along the MB peduncle and terminate in the main output regions of the MB, the medial and the vertical lobe (VL) in a layer-specific manner. In the MB lobes, KCs synapse onto mushroom body output neurons (MBON). In so far barely understood processes, multimodal information is integrated by the MBONs and then relayed further into the protocerebral lobes, the contralateral brain hemisphere, or the central brain among others. This dissertation comprises a dichotomous structure that (i) aims to gain more insight into the olfactory processing in bumblebees and (ii) sets out to broaden our understanding of visual processing in honeybee MBONs. The first manuscript examines the olfactory processing of Bombus terrestris and specifically investigates sex-specific differences. We used behavioral (absolute conditioning) and electrophysiological approaches to elaborate the processing of ecologically relevant odors (components of plant odors and pheromones) at three distinct levels, in the periphery, in the AL and during olfactory conditioning. We found both sexes to form robust memories after absolute conditioning and to generalize towards the carbon chain length of the presented odors. On the contrary, electroantennographic (EAG) activity showed distinct stimulus and sex-specific activity, e.g. reduced activity towards citronellol in drones. Interestingly, extracellular multi-unit recordings in the AL confirmed stimulus and sex-specific differences in olfactory processing, but did not reflect the differences previously found in the EAG. Here, farnesol and 2,3-dihydrofarnesol, components of sex-specific pheromones, show a distinct representation, especially in workers, corroborating the results of a previous study. This explicitly different representation suggests that the peripheral stimulus representation is an imperfect indication for neuronal representation in high-order neuropils and ecological importance of a specific odor. The second manuscript investigates MBONs in honeybees to gain more insights into visual processing in the VL. Honeybee MBONs can be categorized into visually responsive, olfactory responsive and multimodal. To clarify which visual features are represented at this high-order integration center, we used extracellular multi-unit recordings in combination with visual and olfactory stimulation. We show for the first time that information about brightness and wavelength is preserved in the VL. Furthermore, we defined three specific classes of visual MBONs that distinctly encode the intensity, identity or simply the onset of a stimulus. The identity-subgroup exhibits a specific tuning towards UV light. These results support the view of the MB as the center of multimodal integration that categorizes sensory input and subsequently channels this information into specific MBON populations. Finally, I discuss differences between the peripheral representations of stimuli and their distinct processing in high-order neuropils. The unique activity of farnesol in manuscript 1 or the representation of UV light in manuscript 2 suggest that the peripheral representation of a stimulus is insufficient as a sole indicator for its neural activity in subsequent neuropils or its putative behavioral importance. In addition, I discuss the influence of hard-wired concepts or plasticity induced changes in the sensory pathways on the processing of such key stimuli in the peripheral reception as well as in high-order centers like the AL or the MB. The MB as the center of multisensory integration has been broadly examined for its olfactory processing capabilities and receives increasing interest about its visual coding properties. To further unravel its role of sensory integration and to include neglected modalities, future studies need to combine additional approaches and gain more insights on the multimodal aspects in both the input and output region.…
• Honigbienen und Hummeln sind aufgrund ihrer Lebensweise auf die ständige Verarbeitung sensorischer Eindrücke abiotischen und biotischen Ursprungs angewiesen. Als eusoziale Insekten ist hierbei für beide Arten die Wahrnehmung innerartlicher Kommunikation wie auch die Verarbeitung multisensorischer Einflüsse während der Nahrungssuche von essenzieller Bedeutung. Um die daraus resultierenden vielfältigen Herausforderungen erfolgreich bewältigen zu können, verfügen Honigbienen und Hummeln über eine fortschrittliche Verarbeitung olfaktorischer undHonigbienen und Hummeln sind aufgrund ihrer Lebensweise auf die ständige Verarbeitung sensorischer Eindrücke abiotischen und biotischen Ursprungs angewiesen. Als eusoziale Insekten ist hierbei für beide Arten die Wahrnehmung innerartlicher Kommunikation wie auch die Verarbeitung multisensorischer Einflüsse während der Nahrungssuche von essenzieller Bedeutung. Um die daraus resultierenden vielfältigen Herausforderungen erfolgreich bewältigen zu können, verfügen Honigbienen und Hummeln über eine fortschrittliche Verarbeitung olfaktorischer und visueller Reize. In beiden Arten beginnt die Geruchsrezeption an den Antennen, welche geschlechtsspezifisch von zahlreichen olfaktorischen Sensillen besetzt sind. Diese beinhalten olfaktorische Rezeptorneurone (ORN), in welchen die Expression der Geruchsrezeptoren stattfindet. Axone der ORNs laufen dabei gebündelt über vier verschiedene Trakte in den Antennallobus (AL), das erste olfaktorische Verarbeitungszentrum im Bienengehirn. Im AL verschalten ORNs mit lokalen Interneuronen und Projektionsneuronen (PN) in kugelförmigen Strukturen, den sogenannten Glomeruli. PNs leiten die olfaktorische Information daraufhin über zwei charakteristische Trakte, den medialen und lateralen Antennallobustrakt, in den Pilzkörper (MB), das Verarbeitungszentrum für die Integration sensorischer Eindrücke und Gedächtnisbildung. Im Calyx der Honigbiene, der sensorischen Eingangsregion des MB, bilden die Endköpfchen der PNs synaptische Verbindungen mit Kenyonzellen (KC), den primären Nervenzellen im MB. Die Innervation des Calyx durch die PNs ist dabei spezifisch in drei verschiedenen Zonen organisiert, nämlich in Lippe, Hals und basalen Ring. Während die Lippe vornehmlich olfaktorische Information von PNs aus dem AL erhält, wird der basale Ring zusätzlich auch von visuellen PNs, welche Informationen aus dem optischen Lobus einbringen, angesteuert. Der basale Ring der Honigbiene wird dabei Ort der ersten räumlichen Integration visuellen und olfaktorischen Eingangs. Wiederum ähnlich zum unimodalen Eingang der Lippe, bezieht auch der Hals des Calyx grundsätzlich nur sensorischen Eingang einer Modalität, nämlich visuelle Information von PNs aus dem optischen Lobus. KCs verschalten im weiteren Verlauf die olfaktorischen und visuellen Informationen an Pilzkörperausgangsneurone (MBON). In einem bisher kaum erforschten Vorgang wird diese multimodale Information dabei verarbeitet und dann mithilfe der MBONs in verschiedene Bereiche des Gehirns geleitet, z.B. in die protocerebralen Loben, die kontralaterale Gehirnhemisphäre oder das Zentralgehirn. Diese Dissertation ist zweigeteilt und behandelt zuerst (i) die geschlechtsspezifische Verarbeitung olfaktorischer Reize in Hummeln und bespricht im zweiten Teil (ii) neue Einblicke in die neuronale Weiterverarbeitung visueller Reize durch MBONs in der Honigbiene. Manuskript 1 untersucht die Abläufe der Geruchsverarbeitung von Bombus terrestris und beschreibt geschlechtsspezifische Unterschiede. Hierbei wurden sowohl verhaltensbasierte als auch elektrophysiologische Methoden genutzt um die Wahrnehmung ökologisch relevanter Duftstoffe (Komponenten unterschiedlicher Pflanzendüfte oder Pheromone) auf drei verschiedene Weisen zu untersuchen, nämlich in der Peripherie, im AL und mittels olfaktorischer Konditionierung. Wir fanden in beiden Geschlechtern eine robuste Gedächtnisbildung nach absoluter Konditionierung und eine ausgeprägte Generalisierung anhand der Kohlenstoffkettenlänge der präsentierten Duftstoffe. Anders stellten sich die Ergebnisse der elektroantennographischen (EAG) Untersuchungen dar. Hier zeigten sowohl Drohnen als auch Arbeiterinnen neuronale Aktivität mit spezifischen Unterschieden zwischen den Stimuli, aber auch zwischen den Geschlechtern auf, z.B. löste die Applikation von Citronellol eine deutliche verringerte Reaktion in der EAG Aktivität der Drohnen aus. Interessanterweise zeigten auch extrazelluläre Ableitungen im AL stimulus- und geschlechtsspezifische Unterschiede, jedoch in unterschiedlicher Konstellation als in den EAG-Experimenten. Besonders Farnesol und 2,3-Dihydrofarnesol wiesen vor allem bei Arbeiterinnen eine deutliche Repräsentation in der neuronalen Aktivität auf; ein Alleinstellungsmerkmal welches für Farnesol bereits in einer früheren Studie beschrieben wurde. Diese explizit unterschiedliche neuronale Darstellung von Farnesol und 2,3-Dihydrofarnesol in der Peripherie und im AL führt zu der Annahme, dass die rezeptive Darstellung eines Stimulus in der Peripherie keine zuverlässigen Rückschlüsse über die neuronale Repräsentation in höheren Zentren oder die ökologische Relevanz zulässt. Im zweiten Manuskript stehen MBONs der Honigbiene im Fokus, um mehr Einblicke in die visuelle Verarbeitung im VL zu erlangen. Bisher können MBONs in folgende Klassen unterteilt werden: Visuelle, olfaktorische und multimodale MBONs, welche sensitiv für beide Modalitäten sind. Kern dieser Arbeit ist, mittels extrazellulärer Ableitungen festzustellen, welche zusätzlichen Aspekte eines visuellen Stimulus in diesem zentralen Verarbeitungszentrum repräsentiert sind. Dabei konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass Informationen über die Wellenlänge und die Intensität des Lichtstimulus im VL erhalten sind. Im weiteren Verlauf konnte eine Spezifizierung der bisherigen Kategorisierung visueller und multimodaler MBONs in drei weitere Untergruppen vollzogen werden: MBONs die spezifisch die Intensität, die Identität und dein Eingang eines Stimulus kodieren. Des Weiteren zeigte vor allem die Gruppe der Identitäts-MBONs eine bemerkenswerte Kategorisierung von UV-Licht. Diese neuen Erkenntnisse bestätigen die Ansicht, dass der MB, als Zentrum für sensorische Integration, eine Kategorisierung der verarbeiteten Eindrücke vornimmt und diese daraufhin auf die MBONs verschalten wird. Abschließend diskutiere ich Unterschiede in der peripheren Repräsentation von Stimuli und ihrer späteren neuronalen Verarbeitung. Hier zeige ich, die Aktivität von Farnesol in MS1 und UV-Licht MS2 als Beispiel nehmend, dass die periphere Repräsentation eines Stimulus keine sicheren Schlussfolgerungen über die nachfolgend induzierte neurale Aktivität oder die verhaltensrelevante Bedeutung zulässt. Im weiteren Verlauf werden dabei die Einflüsse konservierter Strukturen und plastischer Änderungen auf die Abläufe der sensorischen Peripherie oder der höheren Verarbeitungszentren, wie dem AL oder dem MB gezeigt. Obwohl der MB, das Zentrum für multimodale Integration und Gedächtnis, hinsichtlich seiner Rolle in der Geruchswahrnehmung ausgiebig erforscht ist, gibt es bezüglich der visuellen Verarbeitung oder dem Einfluss anderer Modalitäten noch ungeklärte Abläufe und Fragen. Wenngleich auch hier die Kenntnis speziell über die visuelle Verarbeitung im MB stetig zunimmt, sollten zukünftige Arbeiten mithilfe weiterer Methoden den MB Eingang und Ausgang explizit auf den Einfluss weiterer Modalitäten untersuchen, um so ein umfassenderes Bild über die Abläufe multimodaler Integration zu erhalten.…