Odor processing in the honeybee antennal lobe

Abstract

In this thesis I investigated the cellular processing within the primary olfactory neuropil, the antennal lobe (AL), of the honeybee Apis mellifera. To this purpose, I developed a new method which allows to measure the net outcome of the AL by selectively staining the output neurons (i.e. projection neurons, PNs) using calcium imaging. I could dissect some important aspects of the cellular network within the honeybee AL: the afferent input is processed by two independent networks, one being PTX-sensitive and thus GABAergic, and serving a global gain control mechanism, the other most likely histaminergic, and mediating an odor- and glomerulus-specific contrast-enhancement. Both these networks are involved in optimizing the representation of odor intensity, odor mixtures and pure substances. Specifically, these findings were described in the following chapters: I.) The calcium activity patterns of PNs to different odors were measured in the honey-bee AL. The PN responses were mapped to identified glomeruli, which are the structural and functional units of the AL, to compare the response properties among individuals. The results show that each odor evoked a complex spatio-temporal activity pattern of excited and inhibited glomeruli. These properties were odor- and glomerulus-specific and were conserved across individuals. Comparison to the previously published signals, which derived mainly from the receptor neurons, revealed that the PN responses appeared more confined, showing that inhibitory connections enhance the contrast between glomeruli in the AL. Application of GABA and its receptor antagonist picrotoxin (PTX) to the AL showed the presence of two inhibitory networks (as described above) and led to a proposal about the wiring of the AL network. II.) In order to find the transmitter of the glomerulus-specific and PTX-insensitive inhibitory network, the functional role of the transmitter histamine was analyzed. Thus, the odor representations during histamine application at the input level, estimated by a compound signal, and at the output level, by selectively measuring PNs, were optically recorded. The results show that histamine led to a strong and reversible reduction of the odor-evoked responses of both the input and output neurons, revealing that histamine acts as an inhibitory transmitter in the honeybee AL. III.) Since most naturally odors are complex blends, the representation of binary odor mixtures was investigated in the output neurons. Binary mixtures generally evoked patterns that correspond to simple combinations of the constituent odorants. However, the response intensities of the most responsive glomeruli revealed inhibitory mixture interactions in most animals, which were intensified by PTX application, which silenced the global inhibitory network. This indicates that the observed mixture suppressions emerged from interglomerular computation within the AL. IV.) Honeybees have to recognize odors which occur in plumes at a variety of concentrations. Thus the olfactory system must provide a concentration-invariant code for odor identity. The effect of odor intensity was investigated by simultaneously measuring the input to the AL, estimated by the compound responses, and the output responses of the glomeruli. The results show that increasing concentration generally led to stronger responses and more glomeruli being excited over the AL. Comparison of the input and output responses revealed that the relative responses of specific glomeruli are changed in an odor-specific manner. Weak responses appeared reduced in the output compared to the input, whereas strong responses were even emphasized on the output level. As a result, the AL network modulates and optimizes the afferent input by contrast-enhancing the odor representations, improving discrimination of odor identity at low concentrations, and increasing concentration-invariance of odor-evoked response patterns.

In der vorliegenden Dissertation habe ich die zellulären Verarbeitungsstrukturen im primären olfaktorischen Neuropil, dem Antennallobus (AL), der Honigbiene Apis mellifera untersucht. Zu diesem Zweck habe ich eine neue Methode entwickelt, die es erlaubt, die verarbeitete Information des ALs durch selektive Anfärbung der Ausgangsneurone (d.h. Projektionsneurone, PNs) mittels der 'Calcium Imaging' Methode zu messen. Ich konnte einige wichtige Aspekte des zellulären Netzwerkes des ALs der Honigbiene aufklären: der afferente Eingang wird durch zwei unabhängige Netzwerke verarbeitet. Das eine Netzwerk ist Picrotoxin (PTX)-empfindlich und damit GABAerg und kontrolliert die globale Aktivität, das andere Netzwerk ist wahrscheinlich histaminerg und bewirkt eine duft- und glomerulusspezifische Kontrastverstärkung. Beide Netzwerke sind in die Optimierung der Repräsentation von Duftintensitäten, Duftmischungen und reinen Düften involviert. Diese Ergebnisse wurden in den folgenden Kapiteln detaillierter beschrieben: I.) Es wurden die Kalzium- Aktivitätsmuster der PNs bei verschiedenen Düften im AL der Honigbiene gemessen. Die Antworten der PNs wurden zu identifizierten Glomeruli, welche die strukturellen und funktionellen Einheiten des ALs darstellen, kartiert, um einen Vergleich zwischen verschiedenen Individuen zu ermöglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass Düfte komplexe raum-zeitliche Aktivitätsmuster hervorrufen, die aus exzitatorischen und inhibierten Glomeruli bestehen. Diese Antworteigenschaften waren duft- und glomerulusspezifisch und zwischen den Tieren konstant. Vergleiche mit früher publizierten Daten, welche hauptsächlich die Rezeptorantworten widerspiegelten, ergaben, dass sich die Antworten der PNs auf weniger aktive Glomeruli beschränkten. Das deutet darauf hin, dass inhibitorische Verschaltungen den Kontrast zwischen den Glomeruli im AL erhöhen. Applikation von GABA und dem GABA-Antagonisten PTX zum AL zeigte, dass zwei inhibitorische Netzwerke existieren (wie oben beschrieben). Mittels dieser Ergebnisse konnte ein Verschaltungsmodell des AL-Netzwerkes entwickelt werden. II.) Um nun den Transmitter des glomerulusspezifischen und PTX- unempfindlichen Netzwerkes zu finden, wurde die funktionelle Rolle des Transmitters Histamin untersucht. Dazu wurden die Duftrepräsentationen des Eingangs zum AL, welcher mittels eines sogenannten 'compound signals' abgeschätzt werden konnte, und des Ausgangs, während einer Histaminzugabe optisch gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass Histamin eine starke und reversible Verringerung der duftevozierten Antworten jeweils der Eingangs- als auch der Ausgangsneurone hervorruft. Damit ist gezeigt, dass Histamin als inhibitorischer Transmitter im AL der Honigbiene eine Rolle spielt. III.) Da die meisten natürlich vorkommenden Düfte als komplexe Mischungen auftreten, wurde die Repräsentation von binären Duftmischungen in den Ausgangsneuronen untersucht. Binäre Mischungen haben generell ein Muster hervorgerufen, dass eine einfache Kombination der Einzeldüfte darstellte. Jedoch wiesen die Antwortstärken der am stärksten aktivierten Glomeruli inhibitorische Interaktionen in der Mischungsantwort bei den meisten Tieren auf. Dieser Effekt wurde durch die Zugabe von PTX, welches das globale inhibitorische Netzwerk blockierte, noch verstärkt. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass die beobachteten Mischungseffekte durch interglomeruläre Verrechnungen im AL entstehen. IV.) Düfte treten als Duftwolken auf, deshalb müssen Bienen einen Duft auch bei verschiedenen Konzentrationen wiedererkennen. Das olfaktorische System muss dazu einen konzentrationsinvarianten Kode der Duftqualität bieten. Es wurde die Repräsentation verschiedener Duftintensitäten bei simultaner Messung des Eingangs zum AL und des Ausgangs der Glomeruli untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass ansteigende Konzentrationen generell die Antwortstärke und die Anzahl aktiver Glomeruli im AL erhöhen. Ein Vergleich zwischen den Eingangs- und Ausgangsantworten zeigte, dass die relativen Antworten spezifischer Glomeruli in einer duftspezifischen Weise verändert werden. Schwache Antworten erschienen im Ausgang im Gegensatz zum Eingang verringert, wobei starke Antworten auf der Ausgangsebene verstärkt auftraten. Aufgrund einer Kontrastverstärkung der Duftrepräsentationen, einer Verbesserung der Dufterkennung bei geringen Konzentrationen und einer Erhöhung der Konzentrationsinvarianz der duftevozierten Antwortmuster, moduliert und optimiert das AL Netzwerk den afferenten Eingang.