Topographic coding principles in olfactory systems

Abstract

Topographic representation of stimuli features along the neural sheet is a commonly observed paradigm in sensory coding. Although there is growing evidence of such a topographic arrangement in olfactory systems, no definite functional topographies have yet been established. To this end this thesis contributes towards establishing to­ pographic coding principles in olfactory systems. This thesis investigates both functional topography in the olfactory relay centre of mice, the olfactory bulb, as well as in a secondary olfactory centre of drosophila, the lateral horn. Thereby it provides additional evidence to the hypothesis that receptive fields in the olfactory bulb are spatially grouped according to their response spectra overlap. Furthermore it shows that a topographic readout of the olfactory relay centre in drosophila, the antennal lobe, yields local response areas in the lateral horn associated with innate valence. All in all this thesis emphasizes the functional role of topography in olfactory systems. Within this biological question two computational methods are introduced and re­ fined that assist olfactory research. First regularized non­negative matrix factoriza­ tion is introduced as a tool to automatically disaggregate functional imaging measure­ ments into response domains. And second quantitative structure­activation relation­ ship (QSAR) models are employed to obtain a quantitative physico­chemical descrip­ tion of olfactory receptive fields.

Die topographische Repräsentation von Stimulusfeature in sensorischen Arealen ist ein generelles Prinzip neuronaler Codierung. Auch für olfaktorische Systeme gibt es zahlreiche Hinweise auf eine topographische Organisation. Jedoch hat sich bis jetzt noch keine endgültiges Prinzip einer funktionellen Topographie herauskristallisiert. Die vorliegende Arbeit trägt zu einem erweiterten Verständnis topographischer Prin­ zipien in olfaktorischen Systemen bei. Zum einen wird in dieser Arbeit die Topogra­ phie des ersten olfaktorischen Verschaltungszentrums von Mäusen, des olfaktorischen Bulbus, untersucht, zum anderen jene von einem sekundären olfaktorischen Zentrum in Drosophila, des Lateralen Horns. Dabei stützt diese Arbeit insbesondere die Hypo­ these, dass räumlich benachbarte rezeptive Felder im olfaktorischen Bulbus eine Überschneidung in ihren Antwortspektren aufweisen. Im Weiteren wird auch gezeigt, dass ein topographisches Auslesen des Antennallobus, des olfaktorischen Verschal­ tungszentrum in Drosophila, zu lokalen, mit Verhalten assozierten Antwortarealen im Lateralen Horn führt. Insgesamt hebt diese Arbeit die funktionelle Bedeutung einer topographischen Organisation in olfaktorischen Systemen hervor. Entlang dieser biologischen Fragestellung werden in der vorliegenden Arbeit zwei al­ gorithmische Methoden eingeführt und optimiert. Dies ist zum einen „regularized non­negative Matrix Factorization“ zur automatischen Extraktion von Antwortregio­ nen in Zeitreihen funktioneller Bildgebung. Und zum anderen sind es Quantitative Struktur­Wirkungs­Beziehungs (QSAR) Modelle, die eine quantitative physika­ lisch­chemische Beschreibung von olfaktorischen rezeptiven Feldern ermöglichen.