The Honeybee Olfactory System: 3-D anatomy, physiology and plasticity

Abstract

In this thesis I investigated anatomical and functional principles of odor encoding in projection neurons underlying olfactory learning and olfactory- guided behaviors in the honeybee. To this purpose, I performed electrophysiological recordings of projection neuron odor responses. Furthermore, I developed new techniques to compose single projection neurons labeled in separate specimens within one common framework, the Atlas of the Honeybee Brain . In relation to olfactory-guided behaviors of the honeybee I examined the differences of elemental structures within the microcircuitry of the projection neuron output region in groups of animals which had experienced different odors in a particular behavioral context. The results of my thesis reveal important aspects of functional and anatomical features underlying olfactory learning and olfactory-guided behaviors. Chapter I: A standard Atlas of the Honeybee Brain was created as an average-shape calculated from 20 individual immunostained whole-mount bee brains. After correction for global size and positioning local differences by repeatedly applying an intensity- based nonrigid registration algorithm were adjusted and a sequence of average label images was created. The results were qualitatively evaluated by generating average gray-value images corresponding to the average label images and judging the level of detail within the labeled regions. Registering neurons from different preparations into the standard atlas reveal their anatomical features which allow to draw conclusions about the connectivity within the entire network of the honeybee brain. Thus the standard atlas and the procedures applied for registration serve the function of creating realistic neuroanatomical models of parts of a neural net. Chapter II: Since the honeybee exhibits an elaborate behavior associated with the perception of complex natural stimuli, the representation of odor mixtures in relation to neuronal morphology within its brain was studied. To understand mixture representation within the honeybee brain electrophysiological recordings of single olfactory interneurons within the first-order relay station of the olfactory pathway, the antennal lobe were performed. The results of this study show that antennal lobe output neurons of the lateral antenno-cerebral tract (lACTs) convey odor mixture information onto the second-order relay station of the olfactory pathway, the mushroom bodies whereas antennal lobe output neurons of the median antenno-cerebral tract (mACTs) transfer odor identity information. The 3-D composition of single l-, and mACTs within a spatial reference map, the Atlas of the Honeybee Brain , reveal their uniglomerular input functionally represented by glomerulus-specific olfactory response. The spatial distribution of their axon terminals (boutons) within their output region, the mushroom body lips appears largely segregated between l- and mACTs and density-dependent among the mACTs. Thus the results of this study show that glomerulus-specific input within the antennal lobe is either represented by an area-dependent (lACTs) or a density-dependent (mACTs) bouton topography within the mushroom body lips. Chapter III: Worker honeybees proceed through a sequence of tasks, passing from hive and guard duties to foraging activities. However, the underlying neuronal changes mediating these behavioral transitions are not yet understood. Previous studies have shown that the mushroom bodies (MB), a brain region involved in sensory integration, learning and memory, undergo a volumetric expansion throughout adult life. This study was designed to reveal the mechanisms underlying MB structural changes by investigating age-, task- , and experience-dependent structural plasticity of microglomerular complexes in the lips of the MB, which exclusively process olfactory information. By applying simultaneous labeling of presynaptic olfactory projection neuron boutons and postsynaptic Kenyon cell spines microglomerular complexes (MC) could be visualized and analyzed with 3-D stereological techniques. The results of this study reveal that continuity of developmental and behavioral maturation leads to structural plasticity expressed as an increase in MB lip volume, MC number and bouton size. Manipulations of age-related sensory perception induce degrading compensatory structural plasticity effects represented by a decrease in MC number and an increase in bouton size.

In der vorliegenden Dissertation habe ich funktionelle und morphologische Eigenschaften olfaktorischer Projektionsneurone der Honigbiene Apis mellifera untersucht. Zu diesem Zweck habe ich individuelle Projektionsneurone intrazellulär abgeleitet und ihre Duftantworten auf Einzelkomponenten- sowie Multikomponentendüfte gemessen. Um sie morphologisch charakterisieren zu können habe ich sie intrazellulär gefärbt und eine Methode entwickelt sie in ein allgemeingültiges 3-D Referenzsystem, den Atlas des Honigbienengehirns , zu integrieren. Im Bezug zu dem geruchsorientierten Verhalten der Honigbiene habe ich elementare Strukturen eines definierten Netzwerkes im Ausgangsbereich der Projektionsneurone identifiziert und diese in Honigbienen unterschiedlicher Alters- und Erfahrungsstadien miteinander verglichen. Die Ergebnisse meiner Dissertation zeigen, dass Dufteigenschaften durch verschiedene Kan¨ale kodiert werden, was sich in ihrer neuronalen Morphologie widerspiegelt. Diese Morphologischen Eigenschaften stehen im Einklang mit dem komplexen Verhalten der Honigbiene und unterliegen alters- und geruchsabhängigen plastischen Veränderungen. Kapitel I: Es wurde ein populations-basierter Standard Atlas des Honigbienengehirns entwickelt. Der Atlas wurde aus 20 individuellen Bienengehirnen berechnet und ein Mittelwert generiert. Grauwertbilder wurden in so genannte Label -Bilder umgewandelt in denen jeder Voxel einer anatomischen Identifikation entspricht. Basierend auf diesen Labelbildern wurden rigide Transformationen angewandt um globale Größenunterschiede zu korrigieren. Iterative elastische Transformationen wurden berechnet, um lokale Unterschiede anzupassen und einen Mittelwert zu berechnen. Die Ergebnisse dieser Berechnungen wurden quantitativ evaluiert, indem ein gemitteltes Grauwertbild mit dem gemittelten Labelbild verglichen wurde. Durch die Registrierung von Einzelneuronen in den Atlas können anatomische Eigenschaften dreidimensional analysiert und in Bezug zum gesamten Netzwerk gesetzt werden. Kapitel II: Um die physiologischen und anatomischen Eigenschaften von Projektionsneuronen des Honigbienengehirns zu analysieren wurden elektrophysiologische Messungen durchgeführt. Die neuronalen Antworten individueller Projektionsneurone auf Einzeldüfte und Mixturen wurde gemessen und in Bezug zu ihren morphologischen Eigenschaften gesetzt. Das Honigbienengehirn zeichnet sich dadurch aus, dass Projektionsneurone zweier parallel verlaufenden Trakte (der laterale und der mediane antennozerebrale Trakt, l- und mACT) Geruchsinformationen vom primären zum sekundären Verarbeitungszentrum des olfaktorischen Systems weiterleiten. Die Kodierungsstrategien der l- und mACT Projektionsneurone wurden bezüglich ihrer Anatomie untersucht und in ein Referenzsystem, dem Atlas des Honigbienengehirns integriert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich l- und mACT Projektionsneurone hinsichtlich ihrer Geruchskodierungsmechanismen sowie ihrer Anatomie unterscheiden. Sie weisen eine duale Kodierungsstrategie auf, in der lACT Projektionsneurone Duftkomplexität kodieren, während mACT Projektionsneurone Informationen über die Duftidentität extrahieren und weiterleiten. Diese Strategie spiegelt sich in den Verzweigungsmustern ihrer Axonendigungen (Boutons) im sekundären Verarbeitungszentrum wider, was darauf schließen lässt, dass sie duftspezifische Informationen an festgelegte Klassen von postsynaptischen Neuronen weitergeben. Kapitel III: Adulte Honigbienen zeichnen sich durch ein komplexes Verhalten mit festgelegter Arbeitsteilung aus. Während ihres Lebens durchlaufen sie eine Vielzahl von alters- und erfahrungsabhängigen Verhaltensmustern, die den Übergang vom Leben im Stock zu den Sammlertätigkeiten determinieren. Jedoch sind die neuronalen Veränderungen, die mit den verschiedenen Verhaltensmustern einhergehen, gänzlich unbekannt. In dieser Studie wurden Bereiche der sekundären Verarbeitungszentren des olfaktorischen Systems der Honigbiene auf plastische Veränderungen untersucht. Axonendigungen der Projektionsneurone verzweigen in einem Bereich des sekundären Verarbeitungszentrums, welches als Lippenregion bezeichnet wird. Dort weisen sie synaptische Kontakte zu den so genannten Kenyon Zellen auf und bilden Mikroglomeruläre Komplexe (MC). Diese Komplexe werden repräsentiert durch präsynaptische Boutons und postsynaptische Spines der Kenyon Zellen. Es wurden Methoden entwickelt, um diese MC quantitativ und qualitativ dreidimensional zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass sich MC-Anzahl und Boutonvolumen plastisch verändert sobald die Tiere keine altersgerechte olfaktorische Stimulation erfahren. Die Abnahme der MC wird kompensiert durch eine Zunahme des Boutonvolumens, was darauf schließen lässt, dass die Projektionsneurone ihre Verzweigungsmuster ändern und ihre synaptische Wirksamkeit verstärken. Zukünftige Studien werden diese strukturelle Plastizität hinsichtlich der neuronalen Physiologie untersuchen.