appetitive-associative-olfactory-learning-in-drosophila-larvae

Appetitive Associative Olfactory Learning in <em>Drosophila</em> Larvae

In the following we describe the methodological  details of appetitive associative olfactory learning in Drosophila larvae. The setup, in combination with ...

The GAL4/UAS gene expression system in Drosophila has been crucial in revealing the behavioral significance of neural circuits. Transgene products that block neurotransmitter release and induce cell death have been proved to inhibit neural function powerfully. Here we compare the action of the five effector genes shibire(ts1), Tetanus toxin light chain (TNT), reaper, Diphtheria toxin A-chain (DTA), and inwardly rectifying potassium channel (Kir2.1) and show differences in their efficiency depending on the target cells and the timing of induction. Specifically, effectors blocking neuronal transmission or excitability led to adult-induced paralysis more efficiently than those causing cell ablation. We contrasted these differential potencies in adult to their actions during development. Furthermore, we induced TNT expression in the adult mushroom bodies. In contrast to the successful impairment in short-term olfactory memory by shibire(ts1), adult TNT expression in the same set of cells did not lead to any obvious impairment. Altogether, the efficiency of effector genes depends on properties of the targeted neurons. Thus, we conclude that the selection of the appropriate effector gene is critical for evaluating the function of neural circuits.

Differential potencies of effector genes in adult Drosophila.

Das GAL4/UAS-gen-Expressionssystem Drosophila ist entscheidend bei der Enth&uuml;llung der verhaltensbasierten Bedeutung der neuronale Schaltkreise gewesen. Transgene Produkte, die Neurotransmitter-Freisetzung zu blockieren und Zelltod zu induzieren haben neuronale Funktion hemmen kraftvoll erwiesen. Hier vergleichen wir die Aktion von den f&uuml;nf Effektor Gene shibire(ts1), Tetanus-Toxin leichte Kette (TNT), Schnitter, Diphtherie-Toxin A-Kette (DTA) und innerlich zur Berichtigung der Kalium-Kanal (Kir2.1) und zeigen ihre Leistungsunterschiede abh&auml;ngig von den Zielzellen und das Timing der Induktion. Insbesondere f&uuml;hrte Effektoren blockieren neuronale &Uuml;bertragung oder Erregbarkeit zu Erwachsenen-induzierte Paralyse effizienter als die Zelle Ablation verursacht. Wir kontrastiert diese differenziellen Potenzen bei Erwachsenen auf ihre Aktionen w&auml;hrend der Entwicklung. Dar&uuml;ber hinaus induzierte wir TNT Ausdruck in den Erwachsenen Pilzen stellen. Im Gegensatz zu der erfolgreichen Beeintr&auml;chtigung im olfaktorischen Kurzzeitged&auml;chtnis von shibire(ts1) f&uuml;hrte die Erwachsenen TNT-Ausdruck in die gleiche Gruppe von Zellen nicht zu jeder offensichtliche Beeintr&auml;chtigung. Insgesamt h&auml;ngt die Effizienz der Effektor Gene Eigenschaften der gezielten Neuronen. Daher schlie&szlig;en wir, dass die Auswahl des geeigneten Effektor-Gens zum Auswerten der Funktion neuronaler Schaltkreise kritisch ist.

Differenzielle Potenzen der Effektor-Gene in Erwachsener Taufliege.

Physical traces underlying simple memories can be confined to a single group of cells in the brain. In the fly Drosophila melanogaster, the Kenyon cells of the mushroom bodies house traces for both appetitive and aversive odor memories. The adenylate cyclase protein, Rutabaga, has been shown to mediate both traces. Here, we show that, for appetitive learning, another group of cells can additionally accommodate a Rutabaga-dependent memory trace. Localized expression of rutabaga in either projection neurons, the first-order olfactory interneurons, or in Kenyon cells, the second-order interneurons, is sufficient for rescuing the mutant defect in appetitive short-term memory. Thus, appetitive learning may induce multiple memory traces in the first- and second-order olfactory interneurons using the same plasticity mechanism. In contrast, aversive odor memory of rutabaga is rescued selectively in the Kenyon cells, but not in the projection neurons. This difference in the organization of memory traces is consistent with the internal representation of reward and punishment.

Multiple memory traces for olfactory reward learning in Drosophila.

K&ouml;rperliche Spuren zugrunde liegenden einfache Erinnerungen k&ouml;nnen auf eine einzelne Gruppe von Zellen im Gehirn beschr&auml;nkt werden. In die Fliege Drosophila Melanogaster beherbergen die Kenyon-Zellen der Pilzen stellen Spuren f&uuml;r Vorabend und unangenehmen Geruch Erinnerungen. Das Adenylate Cyclase Protein, Kohlr&uuml;be, hat sich gezeigt, beide Spuren zu vermitteln. Hier zeigen wir, dass f&uuml;r Vorabend lernen, eine andere Gruppe von Zellen zus&auml;tzlich einen Steckr&uuml;be-abh&auml;ngige Memory Trace Fassungsverm&ouml;gen. Lokalisierte Ausdruck der Steckr&uuml;be in entweder Projektion Neuronen, die olfaktorischen Interneuronen erster Ordnung, oder Kenyon Zellen, die Interneuronen zweiter Ordnung ist ausreichend f&uuml;r die Rettung der mutant Defekt im Vorabend Kurzzeitged&auml;chtnis. Vorabend lernen kann daher mehrere Speicher-Ablaufverfolgungen in der erster und zweiter Ordnung olfaktorischen Interneuronen, die mit dem gleichen Mechanismus der Plastizit&auml;t induzieren. Im Gegensatz dazu wird unangenehmen Geruch Erinnerung an Steckr&uuml;be selektiv in den Zellen Kenyon, aber nicht in die Projektion Neuronen gerettet. Dieser Unterschied in der Organisation der Memory Traces steht im Einklang mit der internen Darstellung von Belohnung und Strafe.

Mehrere Speicher-Ablaufverfolgungen f&uuml;r olfaktorische Belohnung lernen in Drosophila.

Histamine (HA) is the photoreceptor neurotransmitter in arthropods, directly gating chloride channels on large monopolar cells (LMCs), postsynaptic to photoreceptors in the lamina. Two histamine-gated channel genes that could contribute to this channel in Drosophila are hclA (also known as ort) and hclB (also known as hisCl1), both encoding novel members of the Cys-loop receptor superfamily. Drosophila S2 cells transfected with these genes expressed both homomeric and heteromeric histamine-gated chloride channels. The electrophysiological properties of these channels were compared with those from isolated Drosophila LMCs. HCLA homomers had nearly identical HA sensitivity to the native receptors (EC(50) = 25 microM). Single-channel analysis revealed further close similarity in terms of single-channel kinetics and subconductance states ( approximately 25, 40, and 60 pS, the latter strongly voltage dependent). In contrast, HCLB homomers and heteromeric receptors were more sensitive to HA (EC(50) = 14 and 1.2 microM, respectively), with much smaller single-channel conductances ( approximately 4 pS). Null mutations of hclA (ort(US6096)) abolished the synaptic transients in the electroretinograms (ERGs). Surprisingly, the ERG "on" transients in hclB mutants transients were approximately twofold enhanced, whereas intracellular recordings from their LMCs revealed altered responses with slower kinetics. However, HCLB expression within the lamina, assessed by both a GFP (green fluorescent protein) reporter gene strategy and mRNA tagging, was exclusively localized to the glia cells, whereas HCLA expression was confirmed in the LMCs. Our results suggest that the native receptor at the LMC synapse is an HCLA homomer, whereas HCLB signaling via the lamina glia plays a previously unrecognized role in shaping the LMC postsynaptic response.

Distinct roles for two histamine receptors (hclA and hclB) at the Drosophila photoreceptor synapse.

Histamin (HA) ist der Photorezeptor-Neurotransmitter im Arthropoden, direkt Anspritzung Chlorid-Kan&auml;le auf gro&szlig;er monopolare Zellen (LMCs), postsynaptisches an Photorezeptoren in die Lamina. Zwei Kanal Histamin-Gating-Gene, die zu diesem Kanal in Drosophila sind HclA (auch bekannt als Ort) und HclB (auch bekannt als hisCl1), beide Codierung Roman Mitglieder der Cys-Schleife-Rezeptor-Superfamilie. Taufliege-S2-Zellen, die transfected mit diesen Genen ausgedr&uuml;ckt Homomeric und heteromeren Histamin-Gating-Chlorid-Kan&auml;le. Die elektrophysiologischen Eigenschaften dieser Kan&auml;le wurden verglichen mit denen von isolierten Drosophila LMCs. HCLA Homomers hatte nahezu identische HA Sensibilit&auml;t f&uuml;r die nativen Rezeptoren (EC(50) = 25 MicroM). Einkanal-Analyse ergab weiter gro&szlig;en &Auml;hnlichkeit in Bezug auf die Einkanal-Kinetik und Subconductance Staaten (etwa 25, 40 und 60 pS, letztere stark Spannung abh&auml;ngig). Im Gegensatz dazu waren die HCLB Homomers und heteromeren Rezeptoren empfindlicher auf HA (EC(50) = 14 und 1,2 MicroM, beziehungsweise), mit viel kleineren Einkanal-Conductances (ca. 4 pS). NULL-Mutationen HclA (ort(US6096)) abgeschafft die synaptischen Transienten in das Elektroretinogramm (ERG). &Uuml;berrascht waren die ERG &quot;auf&quot; Transienten in HclB Mutanten Transienten etwa doppelte verbessert, w&auml;hrend intrazellul&auml;re Aufnahmen aus ihren LMCs ver&auml;nderte Antworten mit langsameren Kinetik offenbart. HCLB Ausdruck innerhalb der Lamina, beurteilt ein GFP (green fluorescent Protein) Reporter-gen Strategie sowohl von mRNA zu kennzeichnen, war allerdings ausschlie&szlig;lich auf die Glia-Zellen lokalisiert, w&auml;hrend HCLA Ausdruck der LMCs best&auml;tigt wurde. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der native-Rezeptor bei der LMC-Synapse ein HCLA Homomer ist, w&auml;hrend HCLB Signalisierung &uuml;ber die Lamina Glia eine zuvor unbekannte Rolle bei der Gestaltung der LMC postsynaptisches Antwort spielt.

Unterschiedliche Rollen f&uuml;r zwei Histamin-Rezeptoren (HclA und HclB) an der Taufliege Photorezeptor Synapse.

Drosophila vision is mediated by inputs from three types of photoreceptor neurons; R1-R6 mediate achromatic motion detection, while R7 and R8 constitute two chromatic channels. Neural circuits for processing chromatic information are not known. Here, we identified the first-order interneurons downstream of the chromatic channels. Serial EM revealed that small-field projection neurons Tm5 and Tm9 receive direct synaptic input from R7 and R8, respectively, and indirect input from R1-R6, qualifying them to function as color-opponent neurons. Wide-field Dm8 amacrine neurons receive input from 13-16 UV-sensing R7s and provide output to projection neurons. Using a combinatorial expression system to manipulate activity in different neuron subtypes, we determined that Dm8 neurons are necessary and sufficient for flies to exhibit phototaxis toward ultraviolet instead of green light. We propose that Dm8 sacrifices spatial resolution for sensitivity by relaying signals from multiple R7s to projection neurons, which then provide output to higher visual centers.

The neural substrate of spectral preference in Drosophila.

Taufliege-Vision ist durch Eingaben aus drei Typen von Photorezeptoren Neuronen vermittelt; R1-R6 vermitteln achromatische Bewegungserkennung, w&auml;hrend R7 und R8 zwei chromatischen Kan&auml;le darstellen. Neuronale Schaltkreise f&uuml;r chromatische Informationsverarbeitung sind nicht bekannt. Hier haben wir die Pr&auml;dikatenlogik Interneuronen stromabw&auml;rts der chromatischen Kan&auml;le identifiziert. Serielle EM ergab, dass klein-Feld Projektion Neuronen Tm5 und Tm9 synaptische Direkteingabe von R7 und R8, bzw. zu erhalten, und indirekten Input von R1-R6, qualifizieren sie als Farbe-Gegner Neuronen fungieren. Breite-Feld Dm8 Amacrine Neuronen empfangen die Eingabe von 13-16 UV-Fernerkundung R7s und bieten Ausgabe in Projektion Neuronen. Wir verwenden eine kombinatorische Expressionssystem, um T&auml;tigkeit in verschiedenen Neuron Subtypen zu manipulieren, und festgestellt, dass Dm8 Neuronen notwendig und ausreichend f&uuml;r fliegen, Phototaxis Richtung Ultraviolett statt gr&uuml;nes Licht auszustellen sind. Wir schlagen Dm8 opfert r&auml;umlichen Aufl&ouml;sung f&uuml;r Empfindlichkeit durch Weiterleitung der Signale von mehreren R7s Projektion Neuronen, die dann Ausgabe zu h&ouml;heren visuellen Zentren bieten.

Das neuronale Substrat der spektralen Pr&auml;ferenz in Drosophila.

Learning and memory is not an attribute of higher animals. Even Drosophila larvae are able to form and recall an association of a given odor with an aversive or appetitive gustatory reinforcer. As the Drosophila larva has turned into a particularly simple model for studying odor processing, a detailed neuronal and functional map of the olfactory pathway is available up to the third order neurons in the mushroom bodies. At this point, a convergence of olfactory processing and gustatory reinforcement is suggested to underlie associative memory formation. The dopaminergic system was shown to be involved in mammalian and insect olfactory conditioning. To analyze the anatomy and function of the larval dopaminergic system, we first characterize dopaminergic neurons immunohistochemically up to the single cell level and subsequent test for the effects of distortions in the dopamine system upon aversive (odor-salt) as well as appetitive (odor-sugar) associative learning. Single cell analysis suggests that dopaminergic neurons do not directly connect gustatory input in the larval suboesophageal ganglion to olfactory information in the mushroom bodies. However, a number of dopaminergic neurons innervate different regions of the brain, including protocerebra, mushroom bodies and suboesophageal ganglion. We found that dopamine receptors are highly enriched in the mushroom bodies and that aversive and appetitive olfactory learning is strongly impaired in dopamine receptor mutants. Genetically interfering with dopaminergic signaling supports this finding, although our data do not exclude on naÃ¯ve odor and sugar preferences of the larvae. Our data suggest that dopaminergic neurons provide input to different brain regions including protocerebra, suboesophageal ganglion and mushroom bodies by more than one route. We therefore propose that different types of dopaminergic neurons might be involved in different types of signaling necessary for aversive and appetitive olfactory memory formation respectively, or for the retrieval of these memory traces. Future studies of the dopaminergic system need to take into account such cellular dissociations in function in order to be meaningful.

The role of dopamine in Drosophila larval classical olfactory conditioning.

Lernen und Ged&auml;chtnis ist kein Attribut von h&ouml;heren Tieren. Auch Drosophila-Larven sind in der Lage zu gr&uuml;nden, eine Vereinigung von einem bestimmten Geruch mit einem unangenehmen oder Vorabend gustatorisches Verst&auml;rker zu erinnern. Wie die Drosophila Larve in ein besonders einfaches Modell zum Studium der Geruch Verarbeitung verwandelt hat, ist eine neuronale und funktionale Detailkarte des olfaktorischen Signalweges bis zu der dritten Ordnung Neuronen in den Pilzen-Gremien zur Verf&uuml;gung. An dieser Stelle wird eine Konvergenz der olfaktorischen Verarbeitung und gustatorisches Verst&auml;rkung vorgeschlagen, um assoziative Ged&auml;chtnisbildung zugrunde liegen. Das dopaminerge System zeigte an S&auml;ugetieren und Insekten olfaktorischen Konditionierung beteiligt zu sein. Um die Anatomie und Funktion des larvalen dopaminergen Systems zu analysieren, pr&auml;gen wir zuerst dopaminergen Neuronen best&auml;tigt bis zur Einzelzelle Ebene und nachfolgenden Test f&uuml;r die Auswirkungen der Verzerrungen in das Dopamin-System beim aversive (Geruch-Salz) sowie Vorabend (Geruch-Zucker) assoziativem Lernen. Einzelne Zelle Analyse zufolge dopaminergen Neuronen gustatorisches Eingang in die larvalen Suboesophageal Ganglion zu olfaktorische Informationen in den Pilzen-Gremien nicht direkt verbunden sind. Jedoch anregen eine Reihe von dopaminergen Neuronen verschiedene Regionen des Gehirns, einschlie&szlig;lich Protocerebra, Pilz-Einrichtungen und Suboesophageal Ganglion. Wir fanden, dass die Dopamin-Rezeptoren sind hochgradig angereichert in den Pilzen stellen und dass aversive und Vorabend olfaktorischen lernen ist stark beeintr&auml;chtigt, in Dopamin-Rezeptor-Mutanten. Genetisch st&ouml;ren dopaminergen Signalisierung unterst&uuml;tzt diese Feststellung, obwohl unsere Daten auf naive Geruch und Zucker Pr&auml;ferenzen die Larven nicht ausschlie&szlig;en. Unsere Daten zeigen, dass die dopaminergen Neuronen auf verschiedene Hirnregionen, einschlie&szlig;lich Protocerebra, Suboesophageal Ganglion und Pilz Einrichtungen von mehr als eine Route einzugeben. Deshalb schlagen wir vor, dass verschiedene Arten der Signalisierung f&uuml;r verschiedene Arten von dopaminergen Neuronen beteiligt sein k&ouml;nnte aversive und Vorabend olfaktorischen Ged&auml;chtnisbildung bzw. oder zum Abrufen des diese Memory-Spuren. Zuk&uuml;nftige Studien der dopaminergen System Notwendigkeit Rechnung ber&uuml;cksichtigen solche zellul&auml;ren Dissoziationen in Funktion um sinnvoll zu sein.

Die Rolle von Dopamin in Drosophila larvalen klassische olfaktorischen Klimaanlage.

Associative plasticity is a basic essential attribute of nervous systems. As shown by numerous reports, Drosophila is able to establish simple forms of appetitive and aversive olfactory associations at both larval and adult stages. Whereas most adult studies on aversive learning employed electric shock as a negative reinforcer, larval paradigms essentially utilized gustatory stimuli to create negative associations, a discrepancy that limits the comparison of data. To overcome this drawback, we critically revisited larval odor-electric shock conditioning. First, we show that lithium chloride (LiCl), which was used in all previous larval electric shock paradigms, is not required per se in larval odor-electric shock learning. This is of considerable practical advantage because beside its peculiar effects LiCl is attractive to larvae at low concentration that renders comparative learning studies on genetically manipulated larvae complicated. Second, we confirm that in both a 2-odor reciprocal and a 1-odor nonreciprocal conditioning regimen, larvae are able to associate an odor with electric shock. In the latter experiments, initial learning scores reach an asymptote after 5 training trials, and aversive memory is still detectable after 60 min. Our experiments provide a comprehensive basis for future comparisons of larval olfactory conditioning reinforced by different modalities, for studies aimed at analyzing odor-electric shock learning in the larva and the adult, and for investigations of the cellular and molecular substrate of aversive olfactory learning in the simple Drosophila model.

Electric shock-induced associative olfactory learning in Drosophila larvae.

Assoziative Plastizit&auml;t ist eine grundlegende wesentliche Eigenschaft von Nervensystemen. Wie zahlreiche Berichte zeigen, ist Drosophila einfache Formen Vorabend und unangenehmen olfaktorischen Assoziationen in sowohl Erwachsene als auch larvalen Stadien zu etablieren. W&auml;hrend die meisten Erwachsene Studien auf aversive lernen Stromschlag als eine negative Verst&auml;rker eingesetzt, genutzte larvalen Paradigmen im wesentlichen gustatorisches Reize negative Assoziationen, eine Diskrepanz zu erstellen, die den Vergleich von Daten beschr&auml;nkt. Um diesen Nachteil zu &uuml;berwinden, revisited wir kritisch larvalen Geruch-Elektroschock-Klimaanlage. Zuerst zeigen wir, dass Lithiumchlorid (LiCl), die in alle vorherigen larvalen Elektroschock-Paradigmen verwendet wurde, nicht per se in larvalen Geruch-Stromschlag Lernen erforderlich ist. Dies ist von grossem praktischen Vorteil da neben seine merkw&uuml;rdige Effekte, die LiCl attraktiv f&uuml;r die Larven in niedriger Konzentration ist das rendert vergleichende learning Studien am genetisch Larven erschwert manipuliert wurde. Zweitens best&auml;tigen wir, dass eine gegenseitige 2-Geruch und eine 1-Geruch mehrerer Klimaanlage-Therapie, Larven Stromschlag einen Geruch zuordnen k&ouml;nnen. In den letzteren Experimenten anf&auml;ngliche lernen Resultate erreichen eine Asymptote nach 5 Training versuchen und aversive Speicher ist nach 60 min noch nachweisbar. Unsere Experimente bieten eine umfassende Grundlage f&uuml;r zuk&uuml;nftige Vergleiche larvalen olfaktorischen Konditionierung durch verschiedene Modalit&auml;ten f&uuml;r Studien zur Analyse von Geruch-Stromschlag in der Larve und der Erwachsene lernen und f&uuml;r Untersuchungen der zellul&auml;ren und molekularen Substrat aversive olfaktorischen lernen im einfachen Drosophila Modell verst&auml;rkt.

Induziert durch Stromschlag assoziative olfaktorischen lernen in Drosophila-Larven.

Insect mushroom bodies are required for diverse behavioral functions, including odor learning and memory. Using the numerically simple olfactory pathway of the Drosophila melanogaster larva, we provide evidence that the formation of appetitive olfactory associations relies on embryonic-born intrinsic mushroom body neurons (Kenyon cells). The participation of larval-born Kenyon cells, i.e., neurons that become gradually integrated in the developing mushroom body during larval life, in this task is unlikely. These data provide important insights into how a small set of identified Kenyon cells can store and integrate olfactory information in a developing brain. To investigate possible functional subdivisions of the larval mushroom body, we anatomically disentangle its input and output neurons at the single-cell level. Based on this approach, we define 10 subdomains of the larval mushroom body that may be implicated in mediating specific interactions between the olfactory pathway, modulatory neurons, and neuronal output.

Drosophila larvae establish appetitive olfactory memories via mushroom body neurons of embryonic origin.

Insekt Pilze Einrichtungen sind erforderlich f&uuml;r diverse verhaltensbasierten Funktionen, einschlie&szlig;lich Geruch lernen und Ged&auml;chtnis. Mit den numerisch einfachen olfaktorischen Weg die Drosophila Melanogaster Larve, bieten wir Beweise, dass die Bildung von Vorabend olfaktorischen Assoziationen aus embryonalen geborener systeminterne Pilz K&ouml;rper Neuronen (Kenyon Zellen). Die Beteiligung der larvalen geborener Kenyon Zellen, d. h. die Neuronen, die allm&auml;hlich in den Entwicklungsl&auml;ndern Pilz K&ouml;rper, w&auml;hrend der larvalen Lebens, in dieser Aufgabe integriert werden ist unwahrscheinlich. Diese Daten liefern wichtige Erkenntnisse wie eine kleine Gruppe von identifizierten Kenyon Zellen Speichern und olfaktorische Informationen in eine sich entwickelnde Gehirn integrieren kann. Um m&ouml;gliche funktionale Unterteilungen des larvalen Pilz K&ouml;rpers zu untersuchen, l&ouml;sen wir anatomisch seine Eingabe- und Nervenzellen auf der Ebene der einzelnen Zelle. Auf der Grundlage dieses Ansatzes, definieren wir 10 Subdomains von larvalen Pilz K&ouml;rper, der darin verwickelt werden, kann bei der Vermittlung von spezifischen Wechselwirkungen zwischen den olfaktorischen Weg, modulierende Neuronen und neuronale Ausgabe.

Taufliege-Larven richten Vorabend olfaktorische Erinnerungen &uuml;ber Pilz K&ouml;rper Neuronen des embryonalen Ursprung.

Vision is an ancient sense essential for various aspects of animal behavior. Visual information not only leads to immediate, temporary, and rapid behavioral responses but also has lasting effects. NaÃ¯ve behavioral responses to light are not always identical but can be altered based on positive or negative experience-a process defined as visual learning. In this study, Drosophila larvae were used as a simple model to study visual classical conditioning. We show that larvae are able to associate positive or negative cues with either light or darkness, thus changing their native light-preference. This effect can be robustly provoked through gustatory stimuli and electric shock. We further show that light can not only be used as a conditioned stimulus but also as an unconditioned stimulus, as punishment in the olfactory classical conditioning procedure, possibly forming two different kinds of memories. Our findings show that even though larvae show a strong naÃ¯ve response when exposed to light, the animals display a comparably large repertoire of visual memories that can be formed. Therefore, our study provides an impacting entry point into the genetic dissection of the neuronal circuit that underlies different types of visual learning.

Capacity of visual classical conditioning in Drosophila larvae.

Vision ist eine uralte Sinn f&uuml;r verschiedene Aspekte des Tierverhaltens. Visuelle Informationen f&uuml;hrt zur sofortigen, tempor&auml;re und schnelle Verhaltens Antworten nicht nur, Sie hat auch nachhaltige Wirkung. Naiv Verhaltens Responses to Licht nicht immer identisch sind, aber k&ouml;nnen ge&auml;ndert werden, basierend auf positive oder negative Erfahrung-ein Prozess definiert als visuelles lernen. In dieser Studie wurden Drosophila-Larven als ein einfaches Modell zur visuellen Klassische Konditionierung zu studieren. Wir zeigen, dass die Larven weder Licht noch Dunkelheit, positive oder negative Signale zuordnen k&ouml;nnen somit ihre native Licht-Einstellung &auml;ndern. Dieser Effekt kann durch gustatorisches Reize und Elektroschocks robust hervorgerufen werden. Wir zeigen weiter, dass Licht nicht nur als einen konditionierten Reiz, sondern auch als Unconditioned Stimulus, als Strafe im olfaktorischen Klassische Konditionierung Verfahren verwendet werden kann m&ouml;glicherweise bilden zwei verschiedene Arten von Erinnerungen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass, obwohl die Larven zeigen, eine starke naive Antwort wenn Sie Licht ausgesetzt werden, die Tiere ein vergleichsweise gro&szlig;es Repertoire an visuellen Erinnerungen anzuzeigen, die gebildet werden kann. Unsere Studie stellt daher einen einschlagenden Einstieg in die Genetik der neuronalen Schaltung, die verschiedene Arten von Visuelles Lernen zugrunde liegt.

Kapazit&auml;t des visuellen Klassische Konditionierung in Drosophila-Larven.

The characteristic crawling behavior of Drosophila larvae consists of a series of rhythmic waves of peristalsis and episodes of head swinging and turning. The two biogenic amines octopamine and tyramine have recently been shown to modulate various parameters of locomotion, such as muscle contraction, the time spent in pausing or forward locomotion, and the initiation and maintenance of rhythmic motor patterns. By using mutants having altered octopamine and tyramine levels and by genetic interference with both systems we confirm that signaling of these two amines is necessary for larval locomotion. We show that a small set of about 40 octopaminergic/tyraminergic neurons within the ventral nerve cord is sufficient to trigger proper larval locomotion. Using single-cell clones, we describe the morphology of these neurons individually. Given various potential roles of octopamine and tyramine in the larval brain, such as locomotion, learning and memory, stress-induced behaviors or the regulation of the energy state, functions that are often not easy to discriminate, we dissect here for the first time a subset of this complex circuit that modulates specifically larval locomotion. Thus, these data will help to understand-for a given neuronal modulator-how specific behavioral functions are executed within distinct subcircuits of a complex neuronal network.

The Role of octopamine and tyramine in Drosophila larval locomotion.

Die charakteristische Crawlverhalten von Drosophila-Larven besteht aus einer Reihe von rhythmischen Wellen der Peristaltik und Episoden von Kopf schwingen und drehen. Die beiden biogenen Aminen Octopamine und Tyramin haben k&uuml;rzlich gezeigt, modulieren verschiedener Parameter der Fortbewegung, z. B. Muskelkontraktion, die Zeit anhalten oder weiterleiten, Fortbewegung, und die Einleitung und Aufrechterhaltung der rhythmische motorische Muster. Mithilfe von Mutanten Octopamine und Tyramin Ebene ver&auml;ndert haben und durch genetische Eingriffe mit beiden Systemen best&auml;tigen wir, dass diese zwei Amine Signalisierung larvalen Fortbewegung notwendig ist. Wir zeigen, dass eine kleine Gruppe von etwa 40 Octopaminergic/Tyraminergic-Neuronen innerhalb der ventrale Nerv Schnur ausreichen, um ordnungsgem&auml;&szlig;e larvalen Fortbewegung ausl&ouml;sen. Einzeller-Clones verwenden, beschreiben wir die Morphologie dieser Neuronen einzeln. Angesichts der verschiedenen m&ouml;gliche Rollen von Octopamine und Tyramin im larvalen Gehirn, wie Fortbewegung, lernen und Ged&auml;chtnis, Stress-induced Verhaltensweisen oder die Regulierung der Energiezustand, Funktionen, die oft nicht leicht zu unterscheiden, sind sezieren wir hier zum ersten Mal eine Teilmenge dieser komplexe Schaltung, die speziell larvalen Fortbewegung moduliert. Daher werden diese Daten helfen, um zu verstehen-f&uuml;r einen bestimmten neuronalen Modulator-wie bestimmte Verhaltens-Funktionen in unterschiedlichen Subcircuits eines komplexen neuronalen Netzwerks ausgef&uuml;hrt werden.

Die Rolle der Octopamine und Tyramin in Drosophila larvalen Fortbewegung.

Gustatory stimuli allow an organism not only to orient in its environment toward energy-rich food sources to maintain nutrition but also to avoid unpleasant or even poisonous substrates. For both mammals and insects, sugars-perceived as "sweet"-potentially predict nutritional benefit. Interestingly, even Drosophila adult flies are attracted to most high-potency sweeteners preferred by humans. However, the gustatory information of a sugar may be misleading as some sugars, although perceived as "sweet," cannot be metabolized. Accordingly, in adult Drosophila, a postingestive system that additionally evaluates the nutritional benefit of an ingested sugar has been shown to exist. By using a set of seven different sugars, which either offer (fructose, sucrose, glucose, maltodextrin, and sorbitol) or lack (xylose and arabinose) nutritional benefit, we show that Drosophila, at the larval stage, can perceive and evaluate sugars based on both nutrition-dependent and -independent qualities. In detail, we find that larval survival and feeding mainly depend on the nutritional value of a particular sugar. In contrast, larval choice behavior and learning are regulated in a more complex way by nutrition value-dependent and nutrition value-independent information. The simplicity of the larval neuronal circuits and their accessibility to genetic manipulation may ultimately allow one to identify the neuronal and molecular basis of the larval sugar perception systems described here behaviorally.

Nutritional value-dependent and nutritional value-independent effects on Drosophila melanogaster larval behavior.

Gustatorisches Reize erm&ouml;glichen den Organismus nicht nur, in ihrer Umgebung in Richtung Energie-reiche Nahrungsquellen Ern&auml;hrung beibehalten, sondern auch unangenehme oder sogar giftigen Substrate zu vermeiden zu orientieren. F&uuml;r Insekten und S&auml;ugetiere, Zucker-wahrgenommen als &quot;s&uuml;&szlig;&quot;-potenziell Vorhersagen Ern&auml;hrung profitieren. Interessanterweise werden sogar Erwachsene Drosophila-Fliegen angezogen, die meisten High Potency-S&uuml;&szlig;ungsmittel, die von den Menschen bevorzugt. Jedoch m&ouml;glicherweise die gustatorisches Informationen ein Zucker irref&uuml;hrend als einige Zucker, obwohl als &quot;s&uuml;&szlig;,&quot; wahrgenommen, kann nicht verstoffwechselt werden. Dementsprechend hat in Erwachsener Taufliege, eine postingestive System, die zus&auml;tzlich die Ern&auml;hrung profitieren von einer aufgenommenen Zucker ergibt nachweislich vorhanden sind. Mit einen Satz von sieben verschiedenen Zuckerarten, die entweder bieten (Fruktose, Saccharose, Glucose, Maltodextrin und Sorbit) oder (Xylose und Arabinose) Ern&auml;hrung profitieren fehlen, zeigen wir, dass Drosophila, auf das Larvenstadium kann wahrnehmen und Zucker basierend bewerten auf Ern&auml;hrung-abh&auml;ngige sowohl -unabh&auml;ngige Qualit&auml;ten. Im Detail finden wir, dass der N&auml;hrwert von einem bestimmten Zucker larvalen &uuml;berleben und F&uuml;tterung haupts&auml;chlich abh&auml;ngen. Im Gegensatz dazu larvalen Wahl Verhalten und lernen in komplexer Weise Ern&auml;hrung Wert abh&auml;ngigen und Wert-unabh&auml;ngige Ern&auml;hrungsinformationen geregelt. Die Einfachheit der larvalen neuronale Schaltkreise und deren Erreichbarkeit f&uuml;r Genmanipulation kann letztlich eine neuronale und molekulare Grundlage der larvalen Zucker Wahrnehmung-Systeme, die hier beschriebene Verhalten zu identifizieren.

Ern&auml;hrungsphysiologischen Wert abh&auml;ngig und ern&auml;hrungsphysiologischen Wert-unabh&auml;ngige Effekte auf Drosophila Melanogaster larvalen Verhalten.

The Drosophila larva has turned into a particularly simple model system for studying the neuronal basis of innate behaviors and higher brain functions. Neuronal networks involved in olfaction, gustation, vision and learning and memory have been described during the last decade, often up to the single-cell level. Thus, most of these sensory networks are substantially defined, from the sensory level up to third-order neurons. This is especially true for the olfactory system of the larva. Given the wealth of genetic tools in Drosophila it is now possible to address the question how modulatory systems interfere with sensory systems and affect learning and memory. Here we focus on the serotonergic system that was shown to be involved in mammalian and insect sensory perception as well as learning and memory. Larval studies suggested that the serotonergic system is involved in the modulation of olfaction, feeding, vision and heart rate regulation. In a dual anatomical and behavioral approach we describe the basic anatomy of the larval serotonergic system, down to the single-cell level. In parallel, by expressing apoptosis-inducing genes during embryonic and larval development, we ablate most of the serotonergic neurons within the larval central nervous system. When testing these animals for naÃ¯ve odor, sugar, salt and light perception, no profound phenotype was detectable; even appetitive and aversive learning was normal. Our results provide the first comprehensive description of the neuronal network of the larval serotonergic system. Moreover, they suggest that serotonin per se is not necessary for any of the behaviors tested. However, our data do not exclude that this system may modulate or fine-tune a wide set of behaviors, similar to its reported function in other insect species or in mammals. Based on our observations and the availability of a wide variety of genetic tools, this issue can now be addressed.

The serotonergic central nervous system of the Drosophila larva: anatomy and behavioral function.

Die Drosophila Larve ist ein besonders einfaches Modellsystem zur Erforschung der neuronalen Grundlagen der angeborenen Verhaltensweisen und h&ouml;heren Hirnfunktionen geworden. Neuronale Netze im Olofaktion, Bierverkostung, Vision und lernen und Ged&auml;chtnis wurden w&auml;hrend des letzten Jahrzehnts, oft bis zur einzelnen Zelle-Ebene beschrieben. Daher sind die meisten dieser sensorischen Netzwerke wesentlich von der sensorischen Ebene bis dritter Ordnung Neuronen definiert. Dies gilt insbesondere f&uuml;r das olfaktorische System der die Larve. Angesichts der F&uuml;lle von genetischen Tools in Drosophila ist es jetzt m&ouml;glich, Adresse die Frage, wie modulierende Systeme mit sensorischen Systeme st&ouml;ren und lernen und Ged&auml;chtnis beeinflussen. Hier konzentrieren wir uns auf die serotonergen System, das gezeigt wurde, an S&auml;ugetieren und Insekten Sinneswahrnehmung sowie lernen und Ged&auml;chtnis beteiligt zu sein. Larval Studien vorgeschlagen, dass die Beeinflussung der Olofaktion, F&uuml;tterung, Vision und Herzfrequenz Verordnung des serotonergen Systems beteiligt ist. In einem dualen anatomische und verhaltensbezogenen Ansatz beschreiben wir Grundaufbau des larvalen serotonergen Systems, bis auf die Ebene der einzelnen Zelle. Parallel entfernen zum Ausdruck bringen Apoptose-induzierende Gene w&auml;hrend der embryonalen und larvalen Entwicklung, wir die meisten der serotonergen Neuronen innerhalb der larvalen Zentralnervensystem. Wenn Sie diese Tiere zur naiven Geruch, Zucker, Salz und Licht Wahrnehmung zu testen, wurde keine tiefgreifenden Ph&auml;notyp nachweisbar; auch Vorabend und aversive lernen war normal. Unsere Ergebnisse liefern die erste umfassende Beschreibung des neuronalen Netzes des larvalen serotonergen Systems. Sie empfehlen au&szlig;erdem, dass Serotonin per se nicht f&uuml;r irgendwelche der Verhaltensweisen getestet notwendig. Unsere Daten schlie&szlig;en jedoch nicht, dass dieses System modulieren oder ein breites Spektrum von Verhaltensweisen, &auml;hnlich wie seine gemeldeten Funktion in andere Insektenarten oder bei S&auml;ugetieren zu optimieren kann. Basierend auf unsere Beobachtungen und die Verf&uuml;gbarkeit einer Vielzahl der genetischen Werkzeuge, kann dieses Problem jetzt behoben.

Serotonergen ZNS &uuml;ber die Drosophila Larve: Anatomie und Verhaltens-Funktion.

Memories are classified as consolidated (stable) or labile according to whether they withstand amnestic treatment, or not. In contrast to the general prevalence of this classification, its neuronal and molecular basis is poorly understood. Here, we focused on consolidated and labile memories induced after a single cycle training in the Drosophila aversive olfactory conditioning paradigm and we used mutants to define the impact of cAMP signals. At the biochemical level we report that cAMP signals misrelated in either rutabaga (rut) or dunce (dnc) mutants separate between consolidated anesthesia-resistant memory (ARM) and labile anesthesia-sensitive memory (ASM). Those functionally distinct cAMP signals act within different neuronal populations: while rut-dependent cAMP signals act within Kenyon cells (KCs) of the mushroom bodies to support ASM, dnc-sensitive cAMP signals support ARM within antennal lobe local neurons (LNs) and KCs. Collectively, different key positions along the olfactory circuitry seem to get modified during storage of ARM or ASM independently. A precise separation between those functionally distinct cAMP signals seems mandatory to allocate how they support appropriate memories.

Consolidated and labile odor memory are separately encoded within the Drosophila brain.

Erinnerungen sind labil nach ob man amnestische Behandlung, oder nicht standhalten oder klassifiziert als konsolidierte (stabil). Anders als die allgemeine Pr&auml;valenz dieser Klassifikation ist der neuronalen und molekulare Grundlage oft missverstanden. Hier konzentrierten wir uns auf konsolidierte und labile Erinnerungen induzierten nach einer single-Cycle-Ausbildung in der Taufliege aversive olfaktorischen Klimaanlage Paradigma und wir Mutanten verwendet, um die Auswirkungen der cAMP-Signale zu definieren. Auf die biochemische Ebene, die wir diesem Lager trennen Sie Signale in Steckr&uuml;be (Brunft) oder Dummkopf (Dnc) Mutanten misrelated Berichten zwischen konsolidierten An&auml;sthesie-resistente (ARM) und labil An&auml;sthesie-Sensitive-Speichers (ASM). Diejenigen, die funktional unterschiedliche Lager Rechtsakte der Signale in verschiedenen neuronalen Populationen: w&auml;hrend der Brunft-abh&auml;ngige Lager Handlung im Kenyon Zellen (KCs) der Pilzen stellen ASM Unterst&uuml;tzung signalisiert, Dnc-Sensitive cAMP Signale unterst&uuml;tzen ARM im Kopf Lappens lokale Neuronen (LNs) und KCs. gemeinsam verschiedene Schl&uuml;sselpositionen entlang die olfaktorischen Schaltung scheinen w&auml;hrend der Lagerung von ARM oder ASM unabh&auml;ngig ge&auml;ndert bekommen. Eine genaue Trennung zwischen diese funktional unterschiedliche cAMP Signale scheint verbindlich reservieren, wie sie die entsprechende Erinnerungen unterst&uuml;tzen.

Article	Year
Differential potencies of effector genes in adult Drosophila. The Journal of comparative neurology\| PubMed ID: 16856137	2006
Multiple memory traces for olfactory reward learning in Drosophila. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 17928455	2007
Distinct roles for two histamine receptors (hclA and hclB) at the Drosophila photoreceptor synapse. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 18632929	2008
The neural substrate of spectral preference in Drosophila. Neuron\| PubMed ID: 18957224	2008
The role of dopamine in Drosophila larval classical olfactory conditioning. PloS one\| PubMed ID: 19521527	2009
Electric shock-induced associative olfactory learning in Drosophila larvae. Chemical senses\| PubMed ID: 20212010	2010
Drosophila larvae establish appetitive olfactory memories via mushroom body neurons of embryonic origin. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 20702697	2010
Capacity of visual classical conditioning in Drosophila larvae. Behavioral neuroscience\| PubMed ID: 21967373	2011
The Role of octopamine and tyramine in Drosophila larval locomotion. The Journal of comparative neurology\| PubMed ID: 22627970	2012
Nutritional value-dependent and nutritional value-independent effects on Drosophila melanogaster larval behavior. Chemical senses\| PubMed ID: 22695795	2012
The serotonergic central nervous system of the Drosophila larva: anatomy and behavioral function. PloS one\| PubMed ID: 23082175	2012
Consolidated and labile odor memory are separately encoded within the Drosophila brain. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 23197709	2012

Andreas S. Thum

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