Integrating past, present and future: mechanisms of a simple decision in larval Drosophila
Is behaviour response or action? In this Thesis I study this question regarding a rather simple organism, the larva of the fruit fly Drosophila melanogaster. Despite its numerically simple brain and limited behavioural repertoire, it is nevertheless capable to accomplish surprisingly complex tasks....
| Main Author: | |
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| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | English |
| Published: |
2012
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/2484 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78923 https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78923 https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/2484/MichaelSchleyerDiss_2.pdf |
| Summary: | Is behaviour response or action? In this Thesis I study this question regarding a rather simple organism, the larva of the fruit fly Drosophila melanogaster. Despite its numerically simple brain and limited behavioural repertoire, it is nevertheless capable to accomplish surprisingly complex tasks. After association of an odour and a rewarding or punishing reinforcement signal, the learnt odour is able to retrieve the formed memory trace. However, the activated memory trace is not automatically turned into learned behaviour: Appetitive memory traces are behaviourally expressed only in absence of the rewarding tastant whereas aversive memory traces are behaviourally expressed in the presence of the punishing tastant. The ‘decision’ whether to behaviourally express a memory trace or not relies on a quantitive comparison between memory trace and current situation: only if the memory trace (after odour-sugar training) predicts a stronger sugar reward than currently present, animals show appetitive conditioned behaviour. Learned appetitive behaviour is best seen as active search for food – being pointless in the presence of (enough) food. Learned aversive behaviour, in turn, can be seen as escape from a punishment – being pointless in absence of punishment. Importantly, appetitive and aversive memory traces can be formed and retrieved independent from each other but also can, under appriate circumstances, summate to jointly organise conditioned behaviour. In contrast to learned behaviour, innate olfactory behaviour is not influenced by gustatory processing and vice versa. Thus, innate olfactory and gustatory behaviour is rather rigid and reflexive in nature, being executed almost regardless of other environmental cues. I suggest a behavioural circuit-model of chemosensory behaviour and the ‘decision’ process whether to behaviourally express a memory trace or not. This model reflects known components of the larval chemobehavioural circuit and provides clear hypotheses about the kinds of architecture to look for in the currently unknown parts of this circuit. The second chapter deals with gustatory perception and processing (especially of bitter substances). Quinine, the bitter tastant in tonic water and bitter lemon, is aversive for larvae, suppresses feeding behaviour and can act as aversive reinforcer in learning experiments. However, all three examined behaviours differ in their dose-effect dynamics, suggesting different molecular and cellular processing streams at some level. Innate choice behaviour, thought to be relatively reflexive and hard-wired, nevertheless can be influenced by the gustatory context. That is, attraction toward sweet tastants is decreased in presence of bitter tastants. The extent of this inhibitory effect depends on the concentration of both sweet and bitter tastant. Importantly, sweet tastants differ in their sensitivity to bitter interference, indicating a stimulus-specific mechanism. The molecular and cellular processes underlying the inhibitory effect of bitter tastants are unknown, but the behavioural results presented here provide a framework to further investigate interactions of gustatory processing streams. === Ist Verhalten Aktion oder Reaktion? In dieser Arbeit widme ich mich dieser Frage anhand eines recht einfachen Organismus, der Larve der Taufliege Drosophila melanogaster. Trotz ihres nur aus wenigen Tausend Nervenzellen bestehenden Gehirns und begrenzten Verhaltensrepertoires ist sie dennoch zu überraschend komplexem Verhalten fähig. Nach der Assoziation eines Duftes mit einem belohnenden oder bestrafenden Geschmacksstoff ist der gelernte Duft in der Lage, die gebildete Gedächtnisspur abzurufen. Diese aktivierte Gedächtnisspur wird jedoch nicht automatisch in Verhalten übersetzt: Appetitive Gedächtnisspuren führen nur in Abwesenheit des belohnenden Geschmacks zu erlerntem Verhalten, während aversive Gedächtnisspuren nur in Anwesenheit des bestrafenden Geschmacks in erlerntem Verhalten münden. Die „Entscheidung“, eine Gedächtnisspur in Verhalten zu übersetzen oder nicht, beruht auf einem quantitativen Vergleich zwischen der Gedächtnisspur und der aktuellen Situation: Nur wenn die Gedächtnisspur (nach einem Duft-Zucker-Training) eine größere Zuckerbelohnung vorhersagt als gegewärtig vorhanden, zeigen die Tiere appetitives erlerntes Verhalten. Solches Verhalten kann man am besten als aktive Suche nach Nahrung interpretieren, die in Gegenwart von (ausreichend) Nahrung sinnlos ist. Aversives erlerntes Verhalten andererseits kann als Flucht vor einer Bestrafung verstanden werden – und in Abwesenheit einer Bestrafung gibt es nichts, wovor man fliehen könnte. Appetitive und aversive Gedächtnisspuren können unabhängig voneinander gebildet und abgerufen werden, können unter den richtigen Umständen aber auch gemeinsam erlerntes Verhalten organisieren. Im Gegensatz zu erlerntem Verhalten wird angeborenes olfaktorisches Verhalten nicht durch das Geschmackssystem beinflusst – und umgekehrt. Angeborenes Verhalten erscheint also relativ starr und reflexhaft und läuft größtenteils unbeeinflusst von anderen Umwelteinflüssen ab. Schließlich entwerfe ich ein auf Verhalten basierendes Schaltkreismodell des chemosensorischen Systems der Larve und der „Entscheidung“, eine Gedächtnisspur in Verhalten umzusetzen oder nicht. Dieses Modell stellt bekannte Komponenten des Systems dar und macht klare Vorhersagen über die Architektur, die bisher noch unbekannte Komponenten haben sollten. Das zweite Kapitel der Arbeit behandelt die Wahrnehmung und Verarbeitung von (hauptsächlich bitteren) Geschmacksstoffen. Chinin, der bittere Geschmack in Getränken wie Bitter Lemon, wirkt abstoßend auf Larven, unterdrückt ihr Fressverhalten und kann in Lernexperimenten als Bestrafung wirken. Allerdings unterscheiden sich alle drei untersuchten Verhalten in der Dynamik ihrer Dosis-Wirkungskurven, was unterschiedliche molekulare und zelluläre Wirkungsweisen nahe legt. Angeborenes Wahlverhalten, das als reflexhaft und starr gilt, kann dennoch durch den gustatorischen Kontext beeinflusst werden. Das bedeutet, die Anwesenheit eines Bitterstoffes ist in der Lage, die angeborene Präferenz von Larven für süße Geschmackstoffen zu unterdrücken. Dieser inhibitorische Effekt hängt sowohl von der Konzentration der süßen als auch der bitteren Substanz ab. Was noch wichtiger ist: Die verschiedenen Zucker sind unterschiedlich anfällig für die Störung durch Bitterstoffe, was auf einen Stimulus-spezifischen Mechanismus hindeutet. Die genauen molekularen und zellulären Prozesse, die diesem inhibitorischen Effekt von Bitterstofen zugrunde liegen, sind noch nicht bekannt, die hier präsentierten Ergebnisse bieten aber einen geeigneten Rahmen für weitergehende Untersuchungen der Interaktionen zwischen verschiedenen Teilen des Geschmacksapparates. |
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