Odor coding and neural plasticity in the mushroom body of the honeybee

Abstract

This thesis investigates odor processing in the mushroom body (MB) of the honeybee Apis mellifera carnica. Using Ca2+ imaging of selectively labeled neurons, fundamental differences in odor coding between the MB and the antennal lobe (AL) were found, and evidence for associative plasticity in the MB intrinsic Kenyon cells (KC) was discovered. These results allow conclusions about the interplay of odor coding and neural plasticity in the context of honeybees' odor discrimination and learning capabilities. Chapter I addresses the function of the MB in odor coding. Odor-evoked network activity was characterized at three consecutive neural compartments: first, in the dendrites of the projection neurons (PN) that connect the AL with the MB, next, in the presynaptic terminals of these PNs (boutons), and finally, in their postsynaptic partners, the clawed KCs (cKC). Odors evoked combinatorial activity patterns at all three processing stages, but the spatial patterns became progressively sparser along this path. PN dendrites and boutons showed similar response profiles, but PN boutons were more narrowly tuned to odors. The transmission from PN boutons to cKCs, was accompanied by a further sparsening of the population code. Activated cKCs were highly odor specific, distributed over the lip and not grouped into functional subunits as is the case for PNs in the AL glomeruli. Furthermore, cKCs integrated PN activity only within 200 ms and transformed complex temporal patterns into brief phasic responses. Thus, two types of transformations occurred: \- Population sparsening, depending on pre- and postsynaptic processing within the MB microcircuits. \- Temporal sharpening of postsynaptic cKC responses, probably involving a broader loop of inhibitory recurrent neurons. Chapter II addresses the role of cKCs in odor learning by combining differential conditioning with Ca2+ imaging of cKC dendrites in the MB input region. Pairing an odor with sucrose induced a pronounced prolongation of and/or increase in odor responses without changing the ensemble of activated cKCs. 15 minutes after training, the responses to the rewarded odor were enhanced, while the pattern of activated cKCs remained stable. The results demonstrate that cKCs are sensitive to the coincidence of odor and reward. Furthermore, they indicate that the formation of odor memories depends on the modulation of the cKC spiking activity, presumably caused by octopamine release from the VUMmx1 neuron, which represents the reinforcing function in appetitive odor learning. The results from Chapters I and II were integrated in a functional model of the MB, which illustrates how the sparseness of the cKC code could be exploited by a learning mechanism. Chapter III presents an in vivo preparation of the honeybee that allows the study of odor evoked activity in the MB with 2-photon laser scanning microscopy (2PLSM). This approach overcomes the limitations imposed by conventional fluorescence microscopy. The data presented show that 2PLSM can be used to study anatomy and neural activity at high temporal and spatial resolution in the honeybee brain.

Diese Arbeit untersucht die Verarbeitung von Duftinformation im Pilzkörper (MB) der Honigbiene Apis mellifera carnica. Mittels optischer Messungen (Calcium imaging) von selektiv markierten Neuronen wurden grundlegende Unterschiede in der Duftkodierung zwischen MB und Antennallobus (AL) nachgewiesen, und es wurden Hinweise auf assoziative Plastizität in den MB- intrinsischen Kenyonzellen (KC) gefunden. Die Ergebnisse erlauben Rückschlüsse auf das Zusammenspiel von Duftkodierung und neuronaler Plastizität im Kontext von Duftdiskriminierung und -lernen bei Honigbienen. Kapitel I beschreibt die Funktion des MB für die Duftkodierung. Duftevozierte Netzwerkaktivitäten wurden in drei aufeinander folgenden neuronalen Kompartimenten charakterisiert: zunächst in den Dendriten von Projektionsneuronen (PN), die den AL mit dem MB verbinden, danach in den präsynaptischen Endigungen dieser PNs (Boutons) und schließlich in ihren postsynaptischen Partnern, den clawed KC (cKC). Düfte evozierten auf allen drei Verarbeitungsebenen kombinatorische Aktivitätsmuster, allerdings steigerte sich die sparseness dieser Muster auf den höheren Verarbeitungsebenen. PN-Dendriten und -Boutons wiesen vergleichbare Antwortspektren auf, gleichwohl zeigten Boutons eine höhere Duftspezifität. Die Transmission von PN-Boutons zu cKC, ging mit einer weiteren Zunahme der sparseness des Populationskodes einher. Die Antworten der cKC waren gegenüber denen der PN-Boutons duftspezifischer. Aktivierte cKC waren über die MB Lippe verteilt und nicht in funktionale Untereinheiten gruppiert, ein deutlicher Unterschied zu den PN des AL. Bemerkenswert ist, dass cKC PN Aktivitäten nur innerhalb der ersten 200 ms integrierten und komplexe zeitliche Aktivitätsmuster in kurze, phasische Antworten transformierten. Es waren also zwei Arten von Transformation zu beobachten: \- Eine Zunahme der sparseness der Populationskodes, die von einer prä- und postsynaptischen Verarbeitung in Mikroschaltkreisen innerhalb des MBs abhängt. \- Eine Verschärfung der Antwortdynamik von cKC, die vermutlich durch eine breitere inhibitorische rekurrente Schleife verursacht wird. Kapitel II untersucht die Rolle von cKC beim Duftlernen mit Hilfe der Kombination aus differentieller Konditionierung und Calcium imaging von cKC-Dendriten in der Eingangsregion des MB. Eine Paarung von Duft und Zucker induzierte eine deutliche Verlängerung und/oder einen Anstieg der Duftantworten, ohne dabei das Ensemble der aktivierten cKC zu verändern. 15 Minuten nach der Konditionierung waren die Antworten auf den belohnten Duft verstärkt. Das Muster der aktivierten cKC blieb jedoch stabil. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass cKC für die Koinzidenz von Duft und Belohnung empfindlich sind. Daneben geben sie Hinweise dafür, dass die Bildung von Duftgedächtnissen von der Modulation der cKC-Aktionspotentialfrequenz abhängt. Diese Modulation könnte über Ausschüttung von Oktopamin durch das VUMmx1 Neuron initiiert werden, ein Neuron, welches die Belohnungsfunktion beim appetitiven olfaktorischen Lernen repräsentiert. Die Ergebnisse aus Kapitel I und II wurden in ein funktionales MB-Model integriert, welches einen, die sparseness des cKC-Kodes nutzenden, Lernmechanismus vorschlägt. Kapitel III stellt eine in vivo Präparation der Honigbiene vor, die die Untersuchung von duftevozierter Aktivität im MB mittels der 2-Photonen-Laser-Scanning- Mikroskopie (2PLSM) erlaubt und damit die Begrenzungen der konventionellen Fluoreszenzmikroskopie überwindet. Die dargestellten Daten zeigen, dass sich hierdurch zeitlich und räumlich hochauflösende anatomische und funktionelle Messungen im Bienenhirn kombinieren lassen.