Universität zu Köln

Giang, Thomas Tam (2014). Dissecting the Translation of Olfactory Information Processing into Approach Behavior using Orco and Octopamine Signaling in Drosophila melanogaster. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Environmental stimuli present animals with input that needs to be processed and judged according to relevance. The animal is challenged with the decision to act and if, how to act in response. How components of the olfactory machinery function in odor processing with hindsight to behavioral output is not well understood. Neurotransmitters such as octopamine might be modulating behavioral output and decision making but how and what behaviors are affected is not known in detail. This thesis attempts to further the understanding of these processes. The general organization of the olfactory system in insect olfaction is similar to that of vertebrates. Both express one olfactory receptor (OR) gene per olfactory sensory neuron (OSN). In contrast to vertebrates, insects have an additional almost ubiquitously present olfactory co-receptor (Orco) in OSNs encoded by the orco gene. Orco has been proposed to be essential for insect olfaction. Still how Orco contributes to the relevant content of the olfactory information for the live animal is not known in detail. In this thesis the function of the Orco is dissected using Orco loss-of-function mutants (Orco1) in olfactory preference experiments. In general complex odor mixtures are more attractive for adult Drosophila melanogaster than single odors. Previously Orco1 mutants were shown to be unable to distinguish between similar complex odor mixtures. It is shown here, that Orco1 mutants can distinguish between two similar complex odor mixtures but in an odor concentration dependent manner. Furthermore, Orco is required for olfactory preference at low attractive odorant concentrations, while aversive behavior is mostly Orco independent at high odorant concentrations. In addition, olfactory preference for ethyl acetate and acetic acid is shifted to higher concentrations. These findings suggest that Orco increases odor sensitivity for olfactory preference behavior. Odor specific receptors are thought to give odors identities and have been proposed to be mis-localized in the absence of Orco. Here it is shown that Orco1 mutants are not anosmic and can sense and prefer single odors. To address whether Orco plays a functional role in the perception of odor identity two similar attractive single odors were tested against each other as single odors and in a complex odor mixture background. Indeed Orco mutants fail to distinguish between the two odors and odor containing mixtures. This provides evidence that Orco is not essential for odor perception and plays a role in odor identity assignment. Taken together the findings here indicate that Orco is not essential but probably aids odor sensing for olfactory preference and odor identity assignment by increasing odor sensitivity. OA has been associated as a reward reinforcer and DA with punishment and negative reinforcement in behavior in Drosophila melanogaster. Furthermore, OA has been associated with response selection and decision making. Schneider et al. (2012) previously showed that activating OA/TA neurons with a sequence of 40Hz and 8Hz frequency in an optogenetic approach could induce site-preference in Drosophila melanogaster. However, whether this specific OA/TA neuron activation frequency is needed to induce site-preference and if activation of DA neurons can induce site-aversion is unclear. Here the blue light sensitive cation channel Channelrhodopsin-2 was expressed in DA and OA neurons to allow optogenetic activation in the site-preference assay. It is shown here that activation of DA neurons can promote site-aversion, probably due to the negative reinforcement properties of DA. In addition, OA/TA neuron activation with different activation frequencies failed to induce site-preference indicating that site-preference promotion requires a specific OA/TA neuron activation frequency. OA/TA mediated response selection for site-preference and possible other behaviors might be activation frequency dependent. Site-preference and aversion involves targeted movement, a form of locomotion. Therefore it could be that the same set of OA/TA neurons also modulates locomotion. In addition, OA has been proposed to play a role in locomotion behavior. To investigate locomotion behavior an optogenetic locomotion setup was developed. Direct activation of DA neurons has been shown to promote increases in locomotion. To validate the setup it is shown that activation of DA neurons increases the locomotor output. To address whether the same set of OA/TA neurons that regulate site-preference also influence locomotion behavior OA/TA neurons were activated with different activation frequencies. Depending on the OA/TA neuron activation frequency, increased or prolonged locomotion as well as no change in behavior could be observed. These findings indicate that locomotor output is modulated by OA/TA neurons and changes in locomotion can be induced by specific OA/TA neuron activation frequencies. Finally, employing the GRASP system, cellular contact between OA/TA neurons and OSNs can be detected in the AL providing a possible site for modulation of the olfactory information processing. This study provides insights into the function of Orco from a behavioral output point of view. Furthermore, it is shown that behavioral output can differ and be regulated by activating the same population of OA/TA neurons with different frequencies. This indicates that response selection might be regulated by neuronal activity/spiking patterns and not simple on and off of neurons.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Tiere sind umgeben von Umweltreizen welche prozessiert und je nach Bedeutung bewertet werden müssen. Das Tier muss entscheiden ob es auf den gegebenen Reiz reagiert und wenn ja, auf welche Weise. Wie Verhaltensantworten durch einzelne Komponenten des olfaktorischen Systems beeinflusst werden ist noch nicht gut verstanden. Es könnte sein, dass Neurotransmitter wie z.B., Oktopamin (OA) Entscheidungen und Verhaltensantworten modulieren. Auf welche Weise und welche Verhaltensantworten moduliert werden ist noch wenig untersucht. Diese Arbeit soll dazu beitragen ein tieferes Verständnis dieser Prozesse zu erlangen. Die generelle Organisation des olfaktorischen Systems ist ähnlich in Insekten und Vertebraten. In beiden wird pro olfaktorisch sensorischem Neuron (OSN) ein olfaktorisches Rezeptorgen (OR) exprimiert. Im Gegensatz zu Vertebraten besitzen Insekten jedoch einen zusätzlichen fast in allen OSNs vertretenden olfaktorischen Co-Rezeptor (Orco) der von dem orco Gen kodiert wird. Orco wurde als essenziell für die die olfaktorische Wahrnehmung in Insekten postuliert. Welchen Beitrag Orco zum Inhalt der olfaktorischen Information für das lebende Insekt hat, ist noch nicht im Detail bekannt. In dieser Arbeit wurde die Funktion von Orco, anhand von Mutanten mit nicht funktionellem Orco (Orco1), in olfaktorischen Präferenz- versuchen untersucht. Für ausgewachsene Drosophila melanogaster Fliegen sind komplexe Duftgemische generell attraktiver als einzelne Düfte. In vorangegangenen Studien konnte gezeigt werden, dassOrco1 Mutanten nicht zwischen ähnlich komplexen Duftgemischen unterscheiden können. Hier konnte gezeigt werden, dass Orco Mutanten in Abhängigkeit der Duftkonzentration zwischen ähnlich komplexen Duftgemischen unterscheiden können. Des Weiteren ist Orco notwendig für olfaktorische Präferenz für niedrig konzentrierte attraktive Düfte, während aversives Verhalten zu hoch konzentrierten Düften hauptsächlich Orco unabhängig ist. Zusätzlich ist die olfaktorische Präferenz für Ethylacetat und Essigsäure auf höhere Konzentrationen verschoben. Diese Ergebnisse weisen darauf hin das Orco die Duftsensitivität für olfaktorisches Präferenzverhalten erhöht. Es wird vermutet, dass Duft spezifische Rezeptoren für die Identität von Düften zuständig sind und dass diese ohne Orco nicht mehr korrekt lokalisiert sind. Hier wird gezeigt dass Orco1 Mutanten nicht Duftblind sind und Einzeldüfte wahrnehmen und präferieren können. Um zu untersuchen ob Orco für die Wahrnehmung von Duftidentitäten eine Rolle spielt, wurden zwei ähnlich attraktive Einzeldüfte einzeln und mit einem komplexen Dufthintergrund gegeneinander getestet. In der Tat, Orco1 Mutanten scheitern daran zwischen den beiden Düften und Duft beinhaltenden Duftgemischen zu unterscheiden. Diese Ergebnisse liefern Beweise dafür, dass Orco nicht essenziell für die Duftwahrnehmung ist und eine Rolle in der Zuweisung von Duftidentitäten spielt. Zusammengenommen weisen die Ergebnisse darauf hin, dass Orco nicht essenziell für die Duftwahrnehmung für olfaktorische Präferenz und Duftidentifikation ist sondern wahrscheinlich eine unterstützende Funktion durch Erhöhung der Duftsensitivität einnimmt. In Drosophila melanogaster wurde OA mit Belohnungsverstärkung und Dopamin (DA) mit Bestrafungs- und negativer Verstärkung für Verhalten assoziiert. Des Weiteren soll OA eine Rolle in Entscheidungsfindung und der Selektion von Verhaltensantworten spielen. Schneider et al. konnten zeigen, dass in Drosophila Seiten-Präferenz durch optogenetische Aktivierung von OA/TA Neuronen mit einer Sequenz aus 40Hz und 8Hz Frequenzen induziert werden kann. Ob diese die Aktivierung von OA/TA Neuronen mit dieser Aktivierungsfrequenz notwendig ist um Seiten-Präferenz zu induzieren, und ob die Aktivierung von DA Neuronen Seiten-Aversion auslösen kann, ist noch nicht bekannt. In dieser Arbeit wurde der Blaulicht sensitive Kationen Kanal, Channelrhodopsin-2, in OA/TA und DA Neuronen exprimiert, um so optogenetisch Neurone im Seiten-Präferenz Versuch aktivieren zu können. Tatsächlich konnte Seiten-Aversion durch die Aktivierung von DA Neuronen induziert werden. Dieser Effekt ist wahrscheinlich auf die Funktion von DA als negativer Verstärker zurückzuführen. Des Weiteren führte die Aktivierung von OA/TA Neuronen mit unterschiedlichen Frequenzen nicht zu Seiten-Präferenz. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass für die Induktion von Seiten-Präferenz eine spezifische Frequenz notwendig ist. Die OA/TA Neuron induzierte Entscheidung für Seiten-Präferenz und vielleicht auch anderen Verhaltensantworten könnte von der Aktivierungsfrequenz abhängen. Seiten-Präferenz- und Aversionsverhalten beinhalten Ziel gerichtete Bewegungen, was eine Form von Lokomotion ist. Aus diesem Grund könnte es sein, dass die gleiche Gruppe von Neuronen auch Lokomotion moduliert. Außerdem wird angenommen, dass OA eine Rolle in Lokomotionsverhalten spielt. Um Lokomotionsverhalten zu untersuchen wurde ein Setup zur optogenetischen Untersuchung von Lokomotion entwickelt. In einer vorangegangenen Studie wurde gezeigt, dass direkte Aktivierung von DA Neuronen eine Erhöhung von Lokomotion induzieren kann. Aktivierung von DA Neuronen in diesem Setup führte zu einer erhöhten Lokomotion, was die Funktionsfähigkeit des Setups bestätigt. Um zu untersuchen ob die gleiche Gruppe von OA/TA Neuronen, welche Seiten-Präferenz reguliert, auch Lokomotion beeinflusst, wurden OA/TA Neurone mit unterschiedlichen Frequenzen aktiviert. Es zeigte sich das je nach Aktivierungsfrequenz entweder eine Erhöhung, eine ausdauernde oder keine Veränderung der Lokomotion induziert werden konnte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Lokomotion von Oktopamin moduliert wird und dass je nach OA/TA Neuron Aktivierungsfrequenz unterschiedliche Veränderungen in der Lokomotion bewirkt werden können. Im letzten Punkt konnte mit der GRASP Methode in neuroanatomischen Versuchen gezeigt werden, dass OA/TA Neurone und OSNs zellulären und möglicherweise synaptischen Kontakt im Antennallobus haben. Dieses Ergebnis liefert einen Hinweis darauf, an welcher Stelle die olfaktorische Informationsverarbeitung möglicherweise im modulieret werden könnte. Diese Studie gibt Einsichten in die Funktionsweise von Orco aus der Sicht der Verhaltensantwort. Des Weiteren wird gezeigt, dass die Aktivierung der gleichen Gruppe von OA/TA Neuronen mit unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche Verhaltensantworten auslösen kann. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass neuronale Aktivitätsmuster und nicht einfach ein an oder aus Status von Neuronen die Entscheidung zwischen Verhaltensantworten reguliert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Giang, Thomas Tam tht.giang@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Contributors:	Universität zu Koeln
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-64025
Date:	November 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Drosophila melanogaster; Olfaction; Orco; Octopamine, Optogenetics UNSPECIFIED
Date of oral exam:	23 January 2015
Referee:	Name Academic Title Scholz, Henrike Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6402