Neural correlates of social behaviour in the honeybee brain

Abstract

The honeybee (Apis mellifera) is an excellent model organism for social and navigational aspects of ethology. It is also heavily investigated with regard to neuronal circuits involved in vision, olfaction and memory. The aim of the current study is to correlate for the first time those peculiar and complex behaviours with the activity of neurons in certain brain areas. There is no knowledge yet on how social interactions are represented in the brain of an insect. To find answers in this regard, a mini colony of worker bees and one honeybee queen was situated in an arena. The behaviour within the artificial hive was monitored with a video camera by the aid of infra-red illumination. A custom written code was used to convert the video data into coordinates and head directions. For an experiment, a bee of interest was taken from the colony. The bee was then equipped with twisted one-meter-long two channel copper wire electrodes. The tips of the electrodes were plated with gold to lower the impedance by two orders of magnitude. Once the electrodes were situated at the beta exit of the mushroom body (MB), the electrodes were attached to the bee’s head using non-toxic silicone. After this procedure, the immobilised bee was placed back into the hive. We recorded the bee’s behaviour using a video and the neuronal activity with the extracellular setup. For the full duration of the experiment, the animal was free to move and behave as it does naturally. I could establish that the social behaviour of the whole colony is not restricted or modified in any way that might be of relevance in the current study. The bees exhibit, qualitatively, natural brood care, foraging waggle dancing, sleep and circadian rhythm. To some degree, the total amount or proportion does diverge due to the small number of initial worker bees of around 1 000. The extracellular recordings did not differ in any way from traditional recordings concerning the quality with regard to sortability and long-term stability for up to 24 hours. We found an overall low baseline activity when compared to experiments that were carried out with restrained honeybees. A multiverse analysis was created to search for any correlations between the neuronal activity of high-order MB output neurons and the behaviour extracted from the video recording. A result found over several of the successful experiments was an increase in spike rate variance for time windows in which social interactions occurred when compared to equal time windows in which the recorded bee was alone or random time windows. For the future I suggest to introduce a feeding machine into the arena that may motivate the recorded bee to show more repeated behaviour. Such devices can train bees in a classical or operant conditioning way.

Die Honigbiene (Apis mellifera) ist ein ausgezeichneter Modellorganismus für soziale und navigatorische Aspekte der Ethologie. Es wird auch in Bezug auf neuronale Schaltkreise, die am She- und Geruchs-vermögen und am Gedächtnis beteiligt sind, intensiv untersucht. Das Ziel der vorliegenden Studie ist es, diese einzigartigen und komplexen Verhaltensweisen erstmals mit der Aktivität von Neuronen in bestimmten Hirnarealen zu korrelieren. Es gibt noch keine Erkenntnisse darüber, wie soziale Interaktionen im Gehirn eines Insekts representiert werden. Um diesbezüglich Antworten zu finden, befand sich in einer Arena eine Minikolonie von Arbeiterinnen und einer Honigbienenkönigin. Das Verhalten innerhalb des künstlichen Bienenstocks wurde mit Hilfe einer Videokamera und Infrarotbeleuchtung überwacht. Ein speziel hierfür geschriebener Code wurde verwendet, um die Videodaten in Koordinaten und Kopfrichtungen der Bienen umzuwandeln. Für ein Experiment wurde eine Biene von Interesse aus der Kolonie genommen. Die Biene wurde dann mit verdrillten, ein Meter langen, Zweikanal-Kupferdrahtelektroden ausgestattet. Die Spitzen der Elektroden wurden mit Gold plattiert, um die Impedanz um zwei Größenordnungen zu verringern. Sobald sich die Elektroden am Beta-Ausgang des Pilzkörpers (MB) befanden, wurden die Elektroden mit ungiftigem Silikon am Bienenkopf befestigt. Nach diesem Verfahren wurde die immobilisierte Biene in den Bienenstock zurückgebracht. Wir haben das Verhalten der Biene unter Verwendung eines Videos und die neuronalen Aktivität mit dem extrazellulären Aufbau aufgezeichnet. Während der gesamten Dauer des Experiments konnte sich das Tier frei bewegen und verhalten, wie es unter natürlichen Umständen der Fall ist. Ich konnte feststellen, dass das Sozialverhalten der gesamten Kolonie in keiner Weise eingeschränkt oder modifiziert wird, auf eine Weise die in der aktuellen Studie relevant sein könnte. Die Bienen zeigen qualitativ, natürliche Brutpflege, Schwänzeltanzen, Schlaf und zirkadianen Rhythmus. Bis zu einem gewissen Maß divergiert die Gesamtmenge oder der Gesamtanteil aufgrund der geringen Zahl von etwa 1 000 Arbeiterbienen. Die extrazellulären Aufzeichnungen unterschieden sich in keiner Weise von traditionellen Aufzeichnungen hinsichtlich der Qualität in Bezug auf Sortierbarkeit und Langzeitstabilität für bis zu 24 Stunden. Im Vergleich zu solchen klassischen Experimenten, fanden wir eine insgesamt niedrige Grundaktivität. Eine Multiverse- Analyse wurde erstellt, um nach Korrelationen zwischen der neuronalen Aktivität von MB-Ausgangsneuronen höherer Ordnung und dem aus der Videoaufzeichnung extrahierten Verhalten zu suchen. Ein Ergebnis, das in mehreren der Experimente gefunden wurde, war eine Zunahme der Spikeratenvarianz für Zeitfenster, in denen soziale Interaktionen im Vergleich zu gleichen Zeitfenstern auftraten, in denen die abgeleitete Biene alleine war oder zufällige Zeitfenster. Für die Zukunft schlage ich vor, eine Futtermaschine in die Arena zu bringen, die die abgeleitete Biene dazu motivieren kann, mehr wiederholtes Verhalten zu zeigen. Solche Vorrichtungen können Bienen in einer klassischen oder operanten Konditionierungsweise trainieren.