A Comprehensive Study of Olfactory Coding in the Insect Brain: Behaviour and Physiology

Abstract

I studied olfaction in honeybees Apis mellifera using the olfactory conditioning of the proboscis extension reaction (PER). I conditioned bees to odours and tested generalisation responses to different odours. Sixteen odours were used, which varied both in their functional group (primary and secondary alcohols, aldehydes and ketones) and in their carbon-chain length (from six to nine carbons).The results obtained by presentation of a total of 16 x 16 odour pairs show that 1) all odorants presented could be learned; 2) generalisation varied depending both on the functional group and the carbon-chain length of odours trained; higher generalisation was found between long-chain than between short-chain molecules and between groups such as primary and secondary alcohols; 3) for some odour pairs, cross-generalisation between odorants was asymmetric; 4) a putative olfactory space could be defined for the honeybee with functional group and carbon-chain length as inner dimensions; 5) perceptual distances in such a space correlate well with physiological distances determined from optophysiological recordings of antennal lobe activity. I conclude that functional group and carbon-chain length are inner dimensions of the honeybee olfactory space and that neural activity in the antennal lobe reflects the perceptual quality of odours. I investigated the overshadowing effect, which occurs when a subject conditioned with a binary compound of two stimuli responds significantly more to one component at the expense of the other. The mechanism of overshadowing is still unclear. Within- mixture, inhibitory interactions between components as well as differential, independent processing of compound components have been proposed to account for it. Here I studied overshadowing in honeybees conditioned to associate odour mixtures with sucrose solution (PER). I trained bees with 6 odorants in all possible 15 binary combinations. For each group trained with a mixture, two control groups were trained with each component. Results showed that overshadowing depended on the odour combination and the amount of conditioning trials. Two factors derived from the control groups accounted for overshadowing: 1) asymmetric cross-generalization between odorants, due to bees responding more to odorant B after learning odorant A than in the reversed situation, and 2) differences in single odorant learning. Thus, no within-mixture interactions were necessary to describe odorant dominance upon compound learning in honeybees. I studied overshadowing and asymmetric cross- generalization in the olfactory modality using binary odour mixtures. I made the attempt to find out if these phenomenons are encoded in the olfactory network of the antennal lobes of the honeybee by investigating neuronal activation in the projection neurons using in vivo calcium-imaging techniques while presenting odours to the antennae of the animals. Complex AL network properties could be the fundament for neuronal correlates of overshadowing and asymmetric cross-generalization. I measured neuronal activation patterns of honeybees conditioned to 2-hexanol, hexanal and the mixture as well as of naïve animals responding to stimulation with 2-hexanol, hexanal and the mixture. Honeybees were conditioned in PER experiments before the animals were used for calcium imaging experiments. In unrewarded tests to the single odours and their mixture the behavioural control groups showed clear asymmetrical cross-generalization between the single odours after single odour conditioning and an overshadowing effect with hexanal as the dominant and 2-hexanol as the dominated odour after mixture conditioning. The imaging experiments revealed neither a neuronal correlate for asymmetric cross-generalization nor for an overshadowing effect.

Untersucht wurde die Duftwahrnehmung der Honigbienen, Apis mellifera, in Konditionierungsexperimenten unter Zuhilfenahme der Proboscis Extensions- Reaktion (PER). Bienen wurden auf spezielle Düfte konditioniert und getestete wurden ihre Generalisierungsantworten auf neue, nicht konditionierte Düfte. Sechzehn Düfte wurden verwendet, unterschiedlich sowohl in ihren funktionellen Gruppen und deren Bindungsstellen (primäre und sekundäre Alkohole, Aldehyde und Ketone) als auch in der Länge ihrer Kohlenstoffkette (6-9 Kohlenstoffatome). Die Ergebnisse zeigten, dass 1) alle präsentierten Düfte gelernt werden konnten; 2) die Stärke der Generalisierung abhängig von der funktionellen Gruppe und der Länge der Kohlenstoffkette der konditionierten Düfte variierte; 3) für einige Duftpaare die gegenseitige Generalisierung zueinander asymmetrisch verlief; 4) ein möglicher Duftraum für die Honigbiene mit funktionellen Gruppen und Kohlenstoffkettenlänge als innere Dimensionen erstellt werden konnte; 5) wahrnehmbare Duftunterschiede in solch einem Duftraum gut mit physiologischen Unterschieden, gemessen durch optophysiologische Aktivitätsmessungen in den Atennalloben korrelierten. Untersucht wurde weiterhin das Phänomen der Überschattung . Hierzu kommt es, wenn ein Proband mit einer Mischung aus zwei simultan auftretenden Stimuli konditioniert wurde und nach dieser Prozedur stärker auf den einen Stimulus antwortet als auf den anderen. Der Mechanismus der zur Überschattung führt ist unklar. Hemmende Wechselwirkungen innerhalb der Mischung zwischen den Stimuli, sowie die individuelle und unabhängige Verarbeitung der einzelnen Stimuli sind denkbar. Honigbienen wurden darauf konditioniert Mischungen aus zwei Düften mit einer Belohnung aus Zuckerwasser zu assoziieren. Alle 15 möglichen Duftmischungen aus 6 unterschiedlichen Düften wurden dafür verwendet. Zusätzlich zu jeder Gruppe wurden zwei Kontrollgruppen, mit jeweils einem der beiden Stimuli aus der Mischung konditioniert. Überschattung trat nur in bestimmten Duftgemischen auf und dies in Abhängigkeit der Anzahl von Duftpräsentationen während der Konditionierung. Zwei Faktoren ergaben sich aus den Kontrollgruppen, welche einen Überschattungs -Effekt vorhersagen ließen: 1) asymmetrische Kreuzgeneralisierung zwischen zwei Düften und 2) unterschiedliche Lernniveaus für zwei Düfte nach der Konditionierung. Deshalb sind Wechselwirkungen zwischen den Stimuli innerhalb einer Mischung nicht notwendig, um die Dominanz einer der beiden Düfte beim Lernen von Duftgemischen zu erklären. Abschließend wurde untersucht, ob Überschattung und asymmetrische Kreuzgeneralisierung im olfaktorischen Netzwerk der Antennalloben bei Honigbienen verschlüsselt sind. Hierzu wurde neuronale Aktivität von Projektionsneuronen im Antennallobus unter zu Hilfenahme von in vivo Calcium-Imaging -Techniken während der Duftstimulierung der Tiere gemessen. Untersucht wurden neuronale Aktivitätsmuster, welche durch die Düfte, 2-Hexanol, Hexanal und deren Mischung hervorgerufen wurden. Dabei wurden Tieren verglichen, welche entweder auf 2-Hexanol, Hexanal, deren Mischung oder auf keinen Duft konditioniert wurden. Konditioniert wurden die Tiere in PER - Verhaltensexperimenten. In unbelohnten Testpräsentationen zeigten die Kontrollgruppen in Verhaltenstests eine klare asymmetrischer Kreuzgeneralisierung zwischen den beiden Einzeldüften nach Einzellduftkonditionierung und einen Überschatungs -Effekt, mit Hexanal als dominanten und 2-Hexanol als dominierten Duft nachdem die Tiere auf die Mischung konditioniert wurden. Die Calcium-Imaging -Experimente ergaben weder für die asymmetrische Kreuzgeneralisierung noch für einen Überschatungs -Effekt ein neuronales Korrelat.