Neuronal mechanisms of merging multi-modal information and modulation through experience
Final Report Abstract
Multi-modale Integration spielt eine zentrale Rolle bei der Wahrnehmung von Sinnesreizen, da die Umgebung permanent Stimuli unterschiedlicher Modalitäten liefert. Dabei verstehen wir noch nicht, wie Gehirne diese Informationen integrieren und gleichzeitig irrelevante Informationen filtern, um die verhaltensrelevante Stimulus Situation zu extrahieren. Ziel dieses Projektes war es, unser Verständnis über die zugrundeliegenden Mechanismen zu erweitern. Die Honigbiene ist für diesen Zweck der geeignete Modelorganismus, da ihre Sinnesökologie und Neurobiologie ideale Voraussetzungen zur Untersuchung olfaktorisch-visueller Integration bietet. Neben den unterschiedlichen klassischen Verhaltensexperimenten haben wir in der Honigbiene auch elektrophysiologischen Zugang zu einer Gruppe von höheren Zentrifugalneuronen, die die multimodale Information aus dem Pilzkörper teilweise retrograd mit den überwiegend unimodalen Neuropilen der Peripherie verbinden, wie zum Beispiel mit dem Antennal-Lobus der Insekten, dem Analogon des Riechkolbens der Vertebraten. Diese Pilzkörperausgangsneurone (PKAN), die, morphologisch betrachtet, die erste neuronale Ebene nach olfaktorisch-visueller Konvergenz darstellen, konnten wir über mehrere Stunden ableiten, während wir die Tiere mit monochromatischem Licht und unterschiedlichen Duftkomponenten sowie beiden Modalitäten in einer Duft-Licht-Kombination stimulierten. Zum ersten Mal konnten wir zeigen, dass ein Großteil der PKAN tatsächlich Multimodal reagiert und demnach das neuronale Substrat multimodaler Integration bildet (Phase 1). PKAN dieser Population separieren drei Arten von Stimuli, nämlich: Duft, Licht und deren Kombination (Duft-Licht) was wir als eine Art der Kategorisierung interpretieren. Des Weiteren führten wir die erste systematische Studie zur visuellen Repräsentation auf dieser Verarbeitungsebene durch (Phase 3). Dabei konnten wir zeigen, dass eine relativ große Population von PKAN spezialisiert ist um Stimuli der Kategorie „UV“ aus der Umwelt zu separieren. Da sich Bienen am UV-Polarisationsmuster der Sonne orientieren scheint das plausibel, denn es handelt sich um einen verhaltensrelevanten Stimulus. Auch die in diesem Projekt durchgeführten Verhaltensexperimente leisteten einen neuen Beitrag zum Verständnis multimodaler Integration. Als wir mit unseren Experimenten begannen, waren wir z.B. die ersten, die modalitätsübergreifende „Positiv- und Negativ-Patterning“ Experimente an Honigbienen durchführten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass auch hier der UV-Komponente eine Sonderstellung zukommt. Während eine Duft-Licht-Kombination, die grünes oder blaues Licht enthält elementar prozessiert wird und nicht von den einzelnen Modalitäten getrennt wahrgenommen wird, lassen unsere Ergebnisse den Schluss zu, dass eine Duft-Licht-Kombination, die UV-Licht enthält, konfigural prozessiert wird und als eine eigenständiger (unige cue) Stimulus wahrgenommen wird. Die jetzige Expertise erlaubt mir die Verhaltensexperimente mit der elektrophysiologischen Langzeit Registrierung zu kombinieren um zum Verständnis Multimodaler Integration und deren Modulation durch Lernprozesse beizutragen. Die PKAN sind in diesem Zusammenhang von großem Interesse, da sie als Zentrifugalneurone potenziell diejenigen sind, die es erlauben über parallele und retrograde modulatorische Verbindungen zwischen höheren Integrationszentren und peripheren Verarbeitungsebenen die olfaktorische Repräsentation zu beeinflussen. So können wir in Zukunft neuronale Mechanismen von Kontext- und Erfahrungsabhängigen retrograden Modulationen im olfaktorischen System der Insekten untersuchen.
Publications
- (2018) Multimodal integration and stimulus categorization in putative mushroom body output neurons of the honeybee. R. Soc. open sci. 2018 5 171785
Martin Strube-Bloss and Wolfgang Rössler
(See online at https://doi.org/10.1098/rsos.171785) - (2019) UV-light perception is modulated by the odour element of an olfactory-visual compound in restrained honeybees, Journal of Experimental Biology
Mira Caroline Becker, Wolfgang Rössler and Martin Strube-Bloss
(See online at https://doi.org/10.1242/jeb.201483) - (2019) “Prinzipien der olfaktorisch-visuellen Integration des Lernverhaltens der Honigbienen“, Doktorarbeit, Universität Würzburg, Graduate School of Life Science
Mira Caroline Becker
(See online at https://doi.org/10.25972/OPUS-19919)
