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An Analysis of Associative Learning in Drosophila at the Flight Simulator

Eine Ananlyse des assoziativen Lernens von Drosophila im Flugsimulator

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-1039
  • Most natural learning situations are of a complex nature and consist of a tight conjunction of the animal's behavior (B) with the perceived stimuli. According to the behavior of the animal in response to these stimuli, they are classified as being either biologically neutral (conditioned stimuli, CS) or important (unconditioned stimuli, US or reinforcer). A typical learning situation is thus identified by a three term contingency of B, CS and US. A functional characterization of the single associations during conditioning in such a three termMost natural learning situations are of a complex nature and consist of a tight conjunction of the animal's behavior (B) with the perceived stimuli. According to the behavior of the animal in response to these stimuli, they are classified as being either biologically neutral (conditioned stimuli, CS) or important (unconditioned stimuli, US or reinforcer). A typical learning situation is thus identified by a three term contingency of B, CS and US. A functional characterization of the single associations during conditioning in such a three term contingency has so far hardly been possible. Therefore, the operational distinction between classical conditioning as a behavior-independent learning process (CS-US associations) and operant conditioning as essentially behavior-dependent learning (B-US associations) has proven very valuable. However, most learning experiments described so far have not been successful in fully separating operant from classical conditioning into single-association tasks. The Drosophila flight simulator in which the relevant behavior is a single motor variable (yaw torque), allows for the first time to completely separate the operant (B-US, B-CS) and the classical (CS-US) components of a complex learning situation and to examine their interactions. In this thesis the contributions of the single associations (CS-US, B-US and B-CS) to memory formation are studied. Moreover, for the first time a particularly prominent single association (CS-US) is characterized extensively in a three term contingency. A yoked control shows that classical (CS-US) pattern learning requires more training than operant pattern learning. Additionally, it can be demonstrated that an operantly trained stimulus can be successfully transferred from the behavior used during training to a new behavior in a subsequent test phase. This result shows unambiguously that during operant conditioning classical (CS-US) associations can be formed. In an extension to this insight, it emerges that such a classical association blocks the formation of an operant association, which would have been formed without the operant control of the learned stimuli. Instead the operant component seems to develop less markedly and is probably merged into a complex three-way association. This three-way association could either be implemented as a sequential B-CS-US or as a hierarchical (B-CS)-US association. The comparison of a simple classical (CS-US) with a composite operant (B, CS and US) learning situation and of a simple operant (B-US) with another composite operant (B, CS and US) learning situation, suggests a hierarchy of predictors of reinforcement. Operant behavior occurring during composite operant conditioning is hardly conditioned at all. The associability of classical stimuli that bear no relation to the behavior of the animal is of an intermediate value, as is operant behavior alone. Stimuli that are controlled by operant behavior accrue associative strength most easily. If several stimuli are available as potential predictors, again the question arises which CS-US associations are formed? A number of different studies in vertebrates yielded amazingly congruent results. These results inspired to examine and compare the properties of the CS-US association in a complex learning situation at the flight simulator with these vertebrate results. It is shown for the first time that Drosophila can learn compound stimuli and recall the individual components independently and in similar proportions. The attempt to obtain second-order conditioning with these stimuli, yielded a relatively small effect. In comparison with vertebrate data, blocking and sensory preconditioning experiments produced conforming as well as dissenting results. While no blocking could be found, a sound sensory preconditioning effect was obtained. Possible reasons for the failure to find blocking are discussed and further experiments are suggested. The sensory preconditioning effect found in this study is revealed using simultaneous stimulus presentation and depends on the amount of preconditioning. It is argued that this effect is a case of 'incidental learning', where two stimuli are associated without the need of reinforcement. Finally, the implications of the results obtained in this study for the general understanding of memory formation in complex learning situations are discussed.show moreshow less
  • Die meisten Lernsituationen sind von komplexer Natur und bestehen aus einer engen Verknüpfung des Verhaltens eines Tieres (B) mit den wahrgenommenen Stimuli. Entsprechend der Reaktion des Tieres auf diese Stimuli werden diese als entweder biologisch neutral (konditionierte Stimuli, CS) oder signifikant (unkonditionierte Stimuli, US oder Verstärker) klassifiziert. Eine typische Lernsituation ist also durch eine Dreiwegebeziehung zwischen B, CS und US gekennzeichnet. Eine funktionelle Charakterisierung der Einzelassoziationen während des LernensDie meisten Lernsituationen sind von komplexer Natur und bestehen aus einer engen Verknüpfung des Verhaltens eines Tieres (B) mit den wahrgenommenen Stimuli. Entsprechend der Reaktion des Tieres auf diese Stimuli werden diese als entweder biologisch neutral (konditionierte Stimuli, CS) oder signifikant (unkonditionierte Stimuli, US oder Verstärker) klassifiziert. Eine typische Lernsituation ist also durch eine Dreiwegebeziehung zwischen B, CS und US gekennzeichnet. Eine funktionelle Charakterisierung der Einzelassoziationen während des Lernens in einer solchen Dreiwegebeziehung war experimentell bisher kaum zugänglich. Operationell wird daher zwischen klassischer Konditionierung als verhaltensunabhängigem Lernvorgang (CS-US Assoziationen) und operanter Konditionierung als essentiell verhaltensabhängigem Lernen (B-US Assoziationen) unterschieden. In den meisten bisher beschriebenen Lernexperimenten ist noch nicht einmal diese Trennung in Einzelassoziationen vollständig durchzuführen gewesen. Im Drosophila Flugsimulator, in dem das relevante Verhalten eine einzelne Bewegungsvariable (das Gierungsdrehmoment) ist, können zum ersten Mal die operanten (B-US, B-CS) und die klassischen (CS-US) Bestandteile einer komplexen Lernsituation völlig getrennt und auf ihre Interaktionen hin untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl die Beiträge der Einzelassoziationen (CS-US, B-US und B-CS) bei der Akquisition der Gedächtnismatrize in komplexen Lernsituationen untersucht, als auch die Eigenschaften einer besonders prominenten Einzelassoziation (CS-US) während einer komplexen Lernsituation zum ersten Mal weitgehend charakterisiert. Mit einer gejochten (yoked) Kontrolle kann gezeigt werden, dass das klassische (CS-US) Musterlernen umfangreicheres Training als das operante Musterlernen erfordert. Außerdem kann die Fliege einen operant gelernter Stimulus von dem Verhalten mit dem er gelernt wurde, auf ein anderes Verhalten im Test übertragen. Dieses Resultat zeigt eindeutig, dass während der operanten Konditionierung klassische (CS-US) Assoziationen gebildet werden können. In einer Erweiterung dieses Ergebnisses zeigt sich, dass solch eine klassische Assoziation, wenn sie gebildet wird, die Bildung einer operanten Assoziation blockiert, die ohne operante Kontrolle der klassisch assoziierten Stimuli gebildet würde. Stattdessen scheint sich der operante Bestandteil weniger ausgeprägt zu entwickeln und ist eventuell in einer komplexen Dreiwege-Assoziation eingebunden. Die Dreiwege-Assoziation könnte entweder als sequentielle B-CS-US oder als hierarchische (B-CS)-US Assoziation implementiert sein. Der Vergleich einer einfachen klassischen (CS-US) mit einer komplexen operanten (B, CS und US) Lernsituation und einer einfachen operanten (B-US) mit einer anderen komplexen operanten (B, CS und US) Lernsituation, ermöglicht das Postulat einer Hierarchie der Prädiktoren für Verstärker. Operantes Verhalten während einer komplexen operanten Lernsituation wird wenig oder überhaupt nicht konditioniert. Die Assoziierbarkeit der klassischen Stimuli ohne Relation zum Verhalten des Tieres (CS-US) sind - wie operantes Verhalten alleine (B-US) auch - von mittlerer Assoziierbarkeit. Stimuli die von operantem Verhalten kon-trolliert werden, erhöhen am schnellsten ihre assoziative Stärke. Sind mehrere Stimuli während des Lernvorgangs zugänglich, stellt sich erneut die Frage, welche von den CS-US Assoziationen gebildet werden. Eine Vielzahl verschiedenster Studien in Vertebraten wiesen erstaunlich übereinstimmende Ergebnisse auf. Diese Ergebnisse inspirierten dazu, die Eigenschaften der CS-US Assoziationen in der komplexen Lernsituation am Flugsimulator zu untersuchen und mit Ergebnissen in Vertebraten zu vergleichen. Es wird erstmals gezeigt, dass Drosophila zusammengesetzte Stimuli lernen und die Einzelkomponenten unabhängig voneinander und in etwa ähnlichen Proportionen wiedererkennen kann. Der Versuch "Lernen zweiter Ordnung" mit diesen Stimuli zu erzielen, liefert einen relativ kleinen Effekt. Die Gegenüberstellung mit Daten aus Vertebraten liefert sowohl Abweichungen als auch Übereinstimmungen hinsichtlich der Lernregeln, die beim klassischen Konditionieren von Vertebraten gefunden wurden. Während es ein deutliches "sensorisches Präkonditionieren" gibt, konnte kein "Blocken" gefunden werden. Das sensorische Präkonditionieren in dieser Studie zeigt sich bei gleichzeitiger Stimuluspräsentation und ist vom Mass der Präkonditionierung abhängig. Es wird argumentiert, dass dieser Effekt ein Fall "beiläufigen Lernens" ist, bei dem zwei Stimuli ohne die Notwendigkeit der Verstärkung assoziiert werden. Für das nicht gefundene Blocken werden mögliche Gründe diskutiert und weiterführende Experimente vor-geschlagen. Abschließend wird über die Implikationen der Resultate dieser Arbeit für das allgemeine Verständnis der Gedächtnisbildung in komplexen Lernsituationen nachgedacht.show moreshow less

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Metadaten
Author: Björn Brembs
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-1039
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2000/01/18
Language:English
Year of Completion:2000
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Taufliege; Lernen; Flugsimulator
Tag:Assoziation; Drosophila; Flugsimulator; Gedächtnis; Lernen; Lernregeln; assoziativ; klassisches Konditionieren; operantes Konditionieren
Drosophila; association; associative; classical conditioning; flight simulator; learning; learning rules; memory; operant conditioning
Release Date:2002/08/06
Advisor:Prof. Dr. Martin Heisenberg