Olfaktorisches Lernen und neuronale Plastizität im Gehirn der Honigbiene Apis mellifera: Ein experimenteller Zugang mit Multielektroden

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, in vivo lernspezifische Veränderungen neuronaler Aktivität im Gehirn der Honigbiene zu messen. Zu diesem Zweck wurden Multielektroden verwendet. Der Vorteil von Multielektroden ist dabei, gleichzeitig die elektrische Aktivität mehrerer Neurone in einem Ensemble messen und so eine hohe zeitliche Auflösung mit räumlicher Auflösung zu verbinden zu können. Die Messungen neuronaler Aktivität wurden separat in zwei Neuropilen des olfaktorischen Systems des Gehirns der Honigbiene vorgenommen: im Antennallobus (AL) als primärem olfaktorischen Neuropil und im α-Lobus (α􀁄-L), einem Ausgangsbereich des Pilzkörpers (MB). Gleichzeitig wurden die Tiere differentiell auf 2 Düfte konditioniert (CS+ und CS- ), während ein dritter Duft als Kontrolle (Ctrl) diente. Die neuronale Aktivität wurde sowohl in einem 10-100 Hz-Bereich als lokales Feldpotential (LFP) als auch in einem 300-6000 Hz-Bereich als Spikeaktivität gemessen. Spikesignale wurden als Multi Unit Activity (MUA) analysiert. Eine Registrierung der elektrischen Aktivität des Muskels M17 diente als Monitor für die erfolgreiche Konditionierung auf den belohnten Duft. Es konnte gezeigt werden, dass Multielektroden in der Lage sind, Änderungen im neuronalen Netzwerk zu erfassen, und dass ein Lernexperiment mit dieser Technik möglich ist. Im AL wurden bei den MUAs alle Duftantwortcharakteristika gefunden, die auch aus Intrazellulärableitungen bekannt sind. Die Ensemblerepräsentationen im selben Tier waren duftspezifisch. Die Frequenzzusammensetzung des LFP erwies sich als lokal und nicht duftspezifisch. Auffällig war der hohe Anteil des 45-55 Hz Bandes an den dominanten Frequenzen in den duftinduzierten LFP-Oszillationen sowie ein signifikantes locking der Spikes von 30% aller MUAs darauf. Die Untersuchung der Antwortstärkeänderungen über alle MUAs und Tiere hinweg ergab, dass die Mehrzahl der MUAs für CS+ und CS- ihre Antwortstärke auf den Duft nach der Konditionierung verringert haben. Wird nach einer Änderung ohne Berücksichtigung des Vorzeichens gefragt, dann zeigten signifikant mehr MUAs für den CS+ eine Änderung als für den CS- und Ctrl. Im LFP zeigte sich für den CS+ eine signifikante Verschiebung vom 41-100 Hz auf das 15-40 Hz-Band im Powerspektrum nach der Konditionierung. Zusammengenommen, deuten diese Effekte auf eine generelle Änderung der neuronalen Ensembleaktivität infolge der Konditionierung im AL hin. Im α􀁄-L glich die Antwortcharakteristik der MUAs der von bereits in früheren Arbeiten intrazellulär abgeleiteten MB- Ausgangsneuronen. MUA-Antworten in Einzeltieren zeigten weniger Duftspezifizität als im AL; außerdem war die Frequenzzusammensetzung der duftinduzierten Powerspektren weniger komplex. Nach der Konditionierung zeigte die Mehrheit der MUAs stimulusunspezifisch stärkere Duftantworten. Der einzige signifikante Unterschied zwischen belohntem und unbelohntem Duft ist eine stärkere Zunahme der Spikezahlen in den 2. 500 ms der Duftgabe. Es ist daher möglich, dass viele der abgeleiteten Ausgangsneurone andere bzw. zusätzliche Informationen als Duftidentitäten oder die Assoziation Duft/Belohnung übermittelt haben.

The aim of this study was to measure learning-specific changes of the neuronal activity in the honeybee´s brain in vivo. Therefore, multichannel recordings were used. The advantage of multichannel recordings is the possibility to measure simultaneously the electrical activity of several neurons of an assembly and to combine high temporal resolution with spatial resolution. Measurements of neuronal activity were taken separately from two neuropiles of the olfactory system of the honeybee´s brain: The antennal lobe (AL) as the first olfactory neuropile, and the α-Lobe (α-L) which is an output region of the mushroom body (MB). Simultaneously, the animals were conditioned differentially to two odours (CS+ and CS-). A third odour served as a control (Ctrl). Neuronal activity was measured both in a 10-100 Hz frequency range for the recording of the local field potential (LFP) and in a 300-600 Hz frequency range for the recording of neuronal spike activity. Spike signals were analysed as multi unit activity (MUA). Registration of the electrical acticity of the muscle M17 served as a monitor for the successful conditioning to the rewarded odour. It could be demonstrated that multichannel recordings are able to register changes in the neuronal network and that it was possible to perform a learning experiment with this technique. In the AL, in MUAs all response characteristics to odours were found that are already known from intracellular recordings. Assembly representations within the same animal were odour specific. The frequency spectrum of the LFP was both local and non-odour specific. A strong contingent of the 45-55 Hz frequency band to the dominant frequency bands of the odour induced LFP oscillations and the significant correlation of 30% of all MUAs to that band was found. The investigation of the changes of the olfactory responses of AL MUAs over all animals due to conditioning revealed that the majority of MUAs decreased their response srength. Asking for a change in response strength without looking for the sign of the strength one can find that significant more MUAs changed for the CS+ than for the CS- or Ctrl. In the LFP a significant shift of the 41-100 Hz frequency band towards the 15-40 Hz band was observed after conditioning for the CS+. Taken together, these effects point to a general change of the neural assembly activity within the AL. In the α-L, in MUAs all response characteristics to odours could be found that are already known from intracellular recordings of MB output neurons. MUA responses showed less odour specificity than in the AL and the composition of the frequency spectrum of odour induced LFP oscillations was less complex. After conditioning, the majority of MUAs showed stronger olfactory responses, but non-stimulus specific. The only significant difference between MUA responses to CS+ and CS- was a stronger increase for the CS+ relative to the CS- after conditioning within the second 500 ms after stimulus onset. Therefore it is possible that many of the recorded α-L MUA responses conveyed other or additional information than the identy of odours or the association between odour and reward.