Complex forms of learning in honeybees: a behavioral and neural analysis & Sleep in honeybees: its role in learning and memory

Abstract

This thesis describes olfactory learning in honeybees (Apis mellifera). The first two chapters describe complex forms of learning; Second-order conditioning (SOC) and Context-dependent learning (CDL). The third chapter focuses on sleep behavior. 1) To show SOC we used classical conditioning of the proboscis extension response (PER) in honeybees using odors as conditioning stimulus (CS) and sugar as US. We showed that bees can learn an odor (C) even without an US, but only if C was paired with a previously rewarded odor (A). In other words, bees respond to the new odor C after 5 times A-US pairing followed by 5 times C-A pairing (A-US -> C-A). By changing the sequence of odors (A-US -> A-C) we could not demonstrate an effective SOC. Furthermore not only the sequence of odors, but also the sequence of training is important. Fewer bees show PER to C, after the sequence C-A -> A-US in comparison to the sequence A-US -> C-A These results helped us to understand conditions critical for SOC. 2) In context dependent learning experiment we could simultaneously test several combinations of contexts and study properties of the brain by extracellular recordings. We showed that bees can learn to differentiate contexts in relatively short time (<1h). Bees showed better learning when two contexts were presented together as opposed to single context. Extracellular recordings from alpha lobe of mushroom bodies showed that the neuronal firing changed sharply between hot and cold temperature contexts. Neurons responded more strongly to the rewarded context as compared to unrewarded context, but the response towards rewarded odor was weaker compared to other odors. 3) Sleep-like behavior in bees has been observed before but its role in learning and memory has not been studied. Described here is a technique which allowed monitoring of sleep combined with olfactory learning tasks. We found that, like many animals, bees also slept more during night compared to daytime and the the patterns of antennal movements (sleep indicators) were different during sleep and wake period. Learning experiments showed that bees that were conditioned to odors slept lesser compared to unconditioned bees. Sleep depriving bees with shaking did not affect acquisition learning but affected extinction learning.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem olfaktorischen Lernen in der Honigbiene Apis mellifera. In den ersten beiden Kapitel dieser Arbeit werden komplexe Formen des Lernens beschrieben: Second-Order-Konditionierung (SOC)in Kapitel eins und kontextabhängiges Lernen in Kapitel zwei. Das dritte Kapitel konzentriert sich auf das Schlafverhalten. 1) Zum Nachweis der SOC nutzten wir die Klassische Konditionierung des Rüssel- Streck-Verhaltens (Proboscis- Extension-Response PER)der Honigbiene. Dabei wird ein Duft, als konditionierter Stimulus (CS), mit Zuckerwasser, als unkonditionierten Stimulus (US), gepaart. Wir konnten zeigen, dass Bienen einen Duft (C) auch ohne US - Präsentation erlernen können, allerdings nur wenn C zuvor mit einem belohnten Duft (A) gepaart wurde. Anders ausgedrückt, die fünfmaliger Paarung von A-US, gefolgt von der fünfmaligen C-A Paarung (A-US -> C-A), führt dazu, dass die Bienen auf den neuen Duft C mit dem Strecken des Proboscis reagieren. Wurde jedoch die Sequenz der Düfte vertauscht (A-US -> A-C) konnte keine erfolgreiche SOC erzielt werden. Neben der Sequenz der Düfte, ist auch die Sequenz des Trainings wichtig. Vertauscht man die Trainingssequenzen von A-US -> C-A zu C-A -> A-US reagieren weniger Bienen auf C mit einer konditionierten Antwort. Diese Ergebnisse helfen uns die entscheidenden Bedingungen bei der SOC zu verstehen. 2) In den Experimenten zum kontextabhängigen Lernen konnten wir verschiedene Kombinationen von Kontexten präsentieren und zeitgleich extrazellulär ableiten. Wir konnten zeigen, dass die Bienen in relativ kurzer Zeit (< 1 Std.) lernen können verschiedene Kontexte zu diskriminieren. Präsentierte man zwei Kontexte zusammen anstelle eines einzelnen Kontextes zeigten die Bienen ein besseres Lernverhalten. Extrazellulär Ableitungen vom Alphalobus des Pilzkörpers zeigten, dass die Erregungsmuster der Neurone sich in Abhängigkeit des Temperaturkontextes (heiß-kalt) stark veränderten. Die Neuronen antworteten stärker im belohnten Kontext verglichen mit dem unbelohnten Kontext, jedoch waren die Antworten auf den belohnten Duft schwächer im vergleich zu anderen Düften. 3) Schlaf-ähnliches Verhalten wurde schon zuvor bei Bienen beschrieben, die Auswirkungen auf das Lernen und die Gedächtnisbildung wurde allerdings noch nicht untersucht. Hier wird eine Technik beschrieben, die es ermöglicht nach der Klassischen Konditionierung eines Duftes, das Schlafverhalten zu beobachten und zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Bienen, wie viele andere Tiere, mehr während der Nacht schlafen als während des Tages. Die Bewegungen der Antennen (als ein Schlafindikator) führen während der Schlafperiode öfter rhythmische symmetrische Bewegungen aus, im 98 Vergleich zu den Wachperioden. So konnten wir zeigen, dass Bienen, die auf einen Duft konditioniert wurden weniger schliefen im Vergleich zu unkonditionierten Bienen. Wurden die Bienen durch Schütteln am Schlaf gehindert, ist das Erwerbslernen nicht betroffen, jedoch das Extinktionslernen.