Odor concentration and identity coding in the antennal lobe of the honeybee Apis mellifera

Abstract

The olfactory bulb and the antennal lobes are the olfactory neuropils of vertebrates and insects. Here, odors are encoded as spatio-temporal patterns of neural activity. The relation between these patterns and the actual odor perception remains enigmatic. Additionally, whether and how this relation changes with the odor concentration is far from being fully understood. In this thesis I investigated these questions using the honeybee antennal lobe as model system. I selectively stained the output neurons of the antennal lobe, the so called projection neurons. Using calcium imaging techniques I measured changes in their activity evoked by a set of 16 different odorants presented at four concentrations. In order to be able to quickly and comfortably evaluate the large amount of data I gathered during this experiment, I designed and implemented a complete computer program for data evaluation. When analyzing the data I find that: 1) Chemically similar odors evoke similar patterns of projection neuron activity in the honeybee antennal lobe. 2) Increasing odor concentrations lead to an overall but non-linear increase in projection neuron activity. 3) The relative similarity between odor representations remains unchanged across concentrations. 4) In the antennal lobe, projection neuron activity separates odors according to their chemical properties, irrespective of the odor concentrations. 5) The similarity between odor representations in the antennal lobe is predictive for the perceived odor similarity. And 6) this information is redundantly encoded in the glomerular activity of the honeybee antennal lobe.

Im Olfaktorische Bulbus der Vertebraten und dem Antennallobus von Insekten werden Düfte in Form von räumlich-zeitlichen Mustern neuronaler Aktivität representiert. Der Zusammenhang zwischen diesen Mustern und der letztendlichen Duftwahrnehmung ist unbekannt. Ebenso unbekannt ist ob (und wenn ja wie) dieses Verhältnis durch die Konzentration des erlebten Duftes beeinflusst wird. In der vorliegenden Arbeit habe ich diese beiden Fragen mit der Methode des Calcium Imaging am Antennallobus der Honigbiene untersucht. Ich habe selektiv die Ausgangsneurone des Antennallobus, die sogenannten Projektionsneurone, gefärbt und anschliessend ihre antworten auf 16 verschiedene Düfte die ich jeweils in vier Konzentrationen gegeben habe, gemessen. Um mir die Auswertung der resultierenden grossen Menge an Daten zu ermöglichen, habe ich ein Computerprogramm geschrieben, das diesen Prozess enorm beschleunigt. Meine Experimente erlauben mir folgende Schlüsse: 1) Chemisch ähnliche Düfte erzeugen ähnliche Muster von neuronaler Aktivität im Antennallobus der Honigbiene. 2) Steigende Duftkonzentrationen verstärken die Aktivität der Projektionsneurone und diese Verstärkung verhält sich nicht linear. 3) Unterschiedliche Duftkonzentrationen haben keinen Einfluss auf die relative Ähnlichkeit der Duftrepräsentationen. 4) Die neuronale Aktivität der Projektionsneurone trennt Düfte gemäss ihrer chemischen Eigenschaften. 5) Die Ähnlichkeit zwischen glomerulärer Projektionsneuronenaktivität zweier Düfte bestimmt als wie ähnlich sie wahrgenommen werden. Und 6) diese Information ist redundant in der Aktivität der Projektionsneurone kodiert.