Neural reward systems in the honeybee: Characterizing the involvement of the mushroom body (MB) extrinsic neurons in reward processing and reversal learning in honeybees

Abstract

This thesis is twofold; neuronal reward systems of the honeybee (Apis mellifera) were characterized using extracellular recording techniques aimed at recording from the mushroom bodies’ extrinsic neurons (ENs), and memory formation of the honeybee was studied using a pharmacological approach. To this end different learning paradigms were used: olfactory reversal learning and a simple form of learning -habituation of the proboscis extension reflex. Both paradigms were studied while recording from the ENs. Applying protein synthesis inhibitor (emetine) the formation of long term memory was studied using reversal learning paradigm. Chapter I - the effect of a protein synthesis inhibitor (emetine) on the memory formed after reversal learning was investigated. Summer bees and winter bees were studied, each yielded different results. In summer bees emetine was found to inhibit the consolidation of the excitatory learning following reversal, and in winter bees emetine was found to block the consolidation of the inhibitory learning. Chapter II – here the effect of emetine on the memory consolidation formed after differential learning in winter bees was studied, again using reversal learning paradigm. Emetine was shown to block the spontaneous recovery following reversal learning. Chapter III- extracellular recordings from mushroom bodies’ extrinsic neurons (ENs) were performed while bees were exposed to an olfactory reversal learning paradigm. It was found that a sub-population of the ENs developed a learning-related neuronal response to the unrewarded odor during acquisition of differential learning. No learning-related changes were observed in the ENs following and during reversal learning. Chapter IV – a non-associative form of learning, habituation of the proboscis extension response, was studied whilst conducting extracellular recordings from the ENs. Only a small sub-population of the ENs was found to respond to the solely presentation of reward to the antenna, out of which one cell habituated its response resembling one neuronal basis for behavioral habituation.

Die vorliegende Dissertation umfasst zwei Themengebiete; neuronale Belohnungssysteme der Honigbiene (Apis mellifera) wurden mit Hilfe extrazellulärer Ableitungen Pilzkörper extrinsischer Nervenzellen (EN) charakterisiert. Darüber hinaus wurden pharmakologische Methoden angewandt, um die Ausbildung von Gedächtnisspuren, ebenfalls anhand der Honigbiene, zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Lernparadigmen verwandt: Olfaktorisches Umkehrlernen und eine einfache Form des Lernens – Habituation des Rüsselreflexes (PER). Beide Paradigmen wurden während der Ableitung der EN durchgeführt. Unter Anwendung des Hemmstoffes der Proteinbiosynthese, Emetine, und unter gleichzeitiger Durchführung des Umkehr-Lernparadigmas wurde die Bildung von Lernen und Langzeitgedächtnis studiert. Kapitel I - untersucht wurde der Effekt des Proteinbiosynthese Hemmstoffes (Emetine) auf die Gedächtnisbildung nach dem Umkehrlernen. Sommer- und Winterbienen wurden mit unterschiedlichen Resultaten untersucht. In Sommerbienen blockierte Emetine die Konsolidierung des exzitatorischen Lernens nach der Umkehrung, in Winterbienen wurde hingegen die Konsolidierung des inhibtorischen Lernens durch den Hemmstoff verhindert. Kapitel II – hier wurde der Effekt von Emetine auf die Gedächtniskonsolidierung nach differentiellem Lernen in Winterbienen exploriert, abermals unter Anwendung des Umkehr-Lernparadigmas. Hier konnte herausgefunden werden, dass Emetine das spontane Wiederauftreten der Verhaltensantwort (PER) nach dem Umkehrlernen hemmt. Kapitel III – während die Bienen dem olfaktorischen Umkehr-Lernparadigma ausgesetzt waren, wurde erneut extrazellulär von Pilzkörper extrinsischen Neuronen abgeleitet. Es wurde herausgefunden, dass eine Subpopulation dieser Zellen eine lernrelatierte neuronale Antwort auf den unbelohnten Duft während der Akquisition der differentiellen Konditionierung etablierten. Keine lernrelatierten Veränderrungen dieser Neurone wurde während oder nach dem Umkehrlernen festgestellt.