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Schnaitmann, Christopher (2014): Neural circuits underlying colour vision and visual memory in Drosophila melanogaster. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

Focusing at the fly visual system I am addressing the identity and function of neurons accomplishing two fundamental processing steps required for survival of most animals: neurons of peripheral circuits underlying colour vision as well neurons of higher order circuits underlying visual memory. Colour vision is commonly assumed to rely on photoreceptors tuned to narrow spectral ranges. In the ommatidium of Drosophila, the four types of so-called inner photoreceptors express different narrow-band opsins. In contrast, the outer photoreceptors have a broadband spectral sensitivity and are thought to exclusively mediate achromatic vision. Using computational models and behavioural experiments, I here demonstrate that the broadband outer photoreceptors contribute to colour vision in Drosophila. A model of opponent processing that includes the opsin of the outer photoreceptors scores the best fit to wavelength discrimination behaviour of flies. To experimentally uncover the contribution of individual photoreceptor types, I used blind flies with disrupted phototransduction (norpA-) and rescued norpA function in genetically targeted photoreceptors and receptor combinations. Surprisingly, dichromatic flies with only broadband photoreceptors and one additional receptor type can discriminate different colours, indicating the existence of a specific output comparison of outer and inner photoreceptors. Furthermore, blocking interneurons postsynaptic to the outer photoreceptors specifically impairs colour but not intensity discrimination. These findings show that outer receptors with a complex and broad spectral sensitivity do contribute to colour vision and reveal that chromatic and achromatic circuits in the fly share common photoreceptors. Higher brain areas integrate sensory input from different modalities including vision and associate these neural representations with good or bad experiences. It is unclear, however, how distinct sensory memories are processed in the Drosophila brain. Furthermore, the neural circuit underlying colour/intensity memory in Drosophila remained so far unknown. In order to address these questions, I established appetitive and aversive visual learning assays for Drosophila. These allow contrasting appetitive and aversive visual memories using neurogenetic methods for circuit analysis. Furthermore, the visual assays are similar to the widely used olfactory learning assays and share reinforcing stimuli (sugar reward and electric shock punishment), conditioning regimes and methods for memory assessment. Thus, a direct comparison of the cellular requirements for visual and olfactory memories becomes feasible. I found that the same subsets of dopamine neurons innervating the mushroom body are necessary and sufficient for formation of both sensory memories. Furthermore, expression of D1-like Dopamine Receptor (DopR) in the mushroom body is sufficient to restore the memory defect of a DopR null mutant (dumb-). These findings and the requirement of the mushroom body for visual memory in the used assay suggest that the mushroom body is a site of convergence, where representations of different sensory modalities may undergo associative modulation.

Abstract

Mit Fokus auf das visuelle System von Fliegen behandle ich in meiner Dissertation die Identität und Funktion von Neuronen, welche zwei fundamentale Verarbeitungsschritte ausführen, die für das Überleben der meisten Tiere notwendig sind. Zum einen sind dies dem Farbensehen zugrunde liegende Neuronen und zum anderen solche, die essentiel für visuelles Gedächtnis sind. Allgemein wird angenommen, dass Farbensehen auf Photorezeptoren mit Sensitivitäten für schmale Spektralbereiche aufbaut. Im Ommatidium von Drosophila exprimieren die sogenannten inneren Photorezeptoren verschiedene spektral schmalbandige Opsine. Im Gegensatz dazu haben die äußeren Photorezeptoren eine breitbandige spektrale Sensitivität und man nimmt an, dass diese ausschließlich achromatisches Sehen ermöglichen. Mit Hilfe von computergestützten Modellen und Verhaltensexperimenten zeige ich hier, dass die breitbandigen äußeren Photorezeptoren zum Farbensehen in Drosophila beitragen. Ein Modell mit opponenter Verarbeitung von Photorezeptorsignalen, welches das Opsin der äußeren Photorezeptoren beinhaltet, passt am besten zum spektralen Unterscheidungsverhalten von Fliegen. Um experimentell den Beitrag der einzelnen Photorezeptortypen zu ermitteln verwendete ich blinde Fliegen mit einem Defekt in der Phototransduktion (norpA-) und rettete die norpA Funktion gezielt in einzelnen oder verschiedenen Kombinationen von Photorezeptortypen mit Hilfe des GAL4/UAS Genexpressionssystems. Erstaunlicherweise können dichromatische Fliegen mit nur äußeren Photorezeptoren und einem weiteren Rezeptortyp Farben unterscheiden, was auf die Existenz eines spezifischen Vergleichs der Signale von äußeren und inneren Photorezeptoren hindeutet. Außerdem beeinträchtigt der Block von Interneuronen, welche postsynaptisch von den äußeren Photorezeptoren sind, spezifisch das Farbensehen aber nicht die Intensitätsunterscheidung. Diese Ergebnisse zeigen zum einen, dass die äußeren Photorezeptoren mit einer komplexen und breitbandigen spektralen Sensitivität zum Farbensehen beitragen und zum anderen, dass chromatische und achromatische neuronale Netzwerke in der Fliege gemeinsame Photorezeptoren teilen. Höher geordnete Gehirnbereiche integrieren sensorische Information verschiedener Modalitäten insbesondere visueller Natur und assoziieren deren neuronale Representation mit guten und schlechten Erfahrungen. Es ist jedoch unklar, wie unterschiedliche sensorische Gedächtnisse im Gehirn von Drosophila verarbeitet werden. Außerdem ist das neuronale Netzwerk, welches Farb- und Intensitätsgedächtnis zugrunde liegt völlig unbekannt. Um diese Fragen zu beantworten etablierte ich appetitive und aversive Verhaltensassays für Drosophila. Diese erlauben die Gegenüberstellung von appetitivem und aversivem visuellen Gedächtnis unter Verwendung von neurogenetischen Methoden zur Netzwerkanalyse. Desweiteren sind die visuellen Verhaltensassays sehr ähnlich zu den verbreiteten olfaktorischen Lernsassays, da diese verstärkende Stimuli (Zuckerbelohnung und Elektroschockbestrafung), Konditionierungsablauf und Methoden zur Gedächtnismessung gemein haben. Dadurch wird ein direkter Vergleich der zellulären Grundlagen von visuellem und olfaktorischem Gedächtnis möglich. Ich fand, dass die gleichen Gruppen von Dopaminneuronen, welche den Pilzkörper innervieren, sowohl notwendig als auch ausreichend für die Bildung beider sensorischer Gedächtnisse sind. Außerdem ist die Expression des D1-ähnlichen Dopaminrezeptors (DopR) im Pilzkörper ausreichend um den Gedächtnisdefekt einer DopR Nullmutante (dumb-) zu retten. Diese Ergebnisse sowie die Notwendigkeit des Pilzkörpers für visuelles Gedächtnis in dem benutzen Assay deuten darauf hin, dass der Pilzkörper ein Konvergenzareal ist, in welchem Repräsentationen von verschiedenen sensorischen Modalitäten assoziativer Modulation unterliegen.