Universität zu Köln

Arican, Cansu ORCID: 0000-0003-2332-6268 (2022). Sensory to motor transformation during innate and adaptive behavior in the cockroach. PhD thesis, Universität zu Köln.

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• Sensory to motor transformation during innate and adaptive behavior in the cockroach. (deposited 01 Dec 2022 13:13) [Currently Displayed]

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Abstract

Animal behavior is the result of processing and integrating various internal and external information. It can be highly flexible and vary between individuals. In insects, the mushroom body output region is an essential higher-order brain area in this process. Integration of various sensory and internal information takes place here as well as memory formation. To investigate adaptive behavior, we established classical and operant conditioning paradigms with a focus on inter-individual differences: American cockroaches were trained harnessed as well as freely moving. To gain insight into the transformation from sensory input to motor output behind innate and adaptive behavior, we established an extracellular recording setup including different sensory stimulators: 1) We simultaneously recorded mushroom body output neurons (MBONs) and initial feeding behavior in single animals during odor stimulation and 2) we recorded MBON responses to different sensory modalities. On the behavioral level, cockroaches were successful in memory formation across different paradigms and sensory modalities. Inter-individual differences regarding their cognitive abilities were discovered. Simultaneous neuronal and behavioral recordings revealed a correlation between MBON and feeding responses to food odors, which allowed for prediction of the behavior. Furthermore, neuronal recordings demonstrated that MBONs encode stimulus on- and off-responses, show adaptation during rapid successive stimulation and differ in response latencies to different sensory modalities. Our results strengthen the idea that the mushroom body output region is not only important for memory formation. In addition, it is crucial for the integration as well as categorization of different sensory modalities. Moreover, it is involved in the sensory to motor transformation. Combining the successfully established behavioral and electrophysiological setups builds a solid base to investigate the role of MBONs in memory formation with high temporal resolution and with regard to inter-individual differences.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Verhalten von Tieren ist das Ergebnis der Verarbeitung und Integration verschiedener interner und externer Informationen. Es kann sehr flexibel sein und von Individuum zu Individuum variieren. Bei Insekten ist die Ausgangsregion des Pilzkörpers, ein Gehirnareal höherer Ordnung, wesentlich in diesem Prozess. Hier finden die Integration verschiedener sensorischer und interner Informationen sowie die Gedächtnisbildung statt. Um adaptives Verhalten zu untersuchen, haben wir klassische und operante Konditionierungsparadigmen eingeführt, wobei wir uns auf interindividuelle Unterschiede konzentriert haben: Amerikanische Schaben wurden sowohl in fixiertem als auch in freilaufendem Zustand trainiert. Um einen Einblick in die Umwandlung von sensorischen in motorische Informationen hinter angeborenem und adaptivem Verhalten zu erhalten, haben wir ein extrazelluläres Aufzeichnungssystem mit verschiedenen sensorischen Stimulatoren aufgebaut: 1) Wir zeichneten simultan die Ausgangsneurone der Pilzkörper (MBONs) und das initiale Fressverhalten in einzelnen Tieren während einer Geruchsstimulation auf und 2) wir zeichneten die Reaktionen der MBONs auf die Stimulation mit verschiedene sensorische Modalitäten auf. Auf der Verhaltensebene waren die Schaben bei der Gedächtnisbildung über verschiedene Paradigmen und Sinnesmodalitäten hinweg erfolgreich. Zusätzlich wurden interindividuelle Unterschiede hinsichtlich ihrer kognitiven Fähigkeiten festgestellt. Simultan aufgenommene neuronale und verhaltensbezogene Daten zeigten eine Korrelation zwischen den Reaktionen der MBONs und den Fütterungsreaktionen auf Futtergerüche, was eine Vorhersage des Verhaltens ermöglichte. Darüber hinaus zeigten die neuronalen Aufzeichnungen, dass MBONs Beginn und Ende eines Stimulus kodieren, eine Anpassung bei schnell aufeinanderfolgenden Stimulationen zeigen und sich in den Reaktionslatenzen auf verschiedene sensorische Modalitäten unterscheiden. Unsere Ergebnisse bestärken die Annahme, dass die Ausgangsregion der Pilzkörper nicht nur für die Gedächtnisbildung wichtig ist, sondern darüber hinaus entscheidend für die Integration sowie die Kategorisierung verschiedener sensorischer Modalitäten ist. Außerdem ist sie an der sensorischen zur motorischen Transformation beteiligt. Die Kombination der erfolgreich etablierten verhaltensbiologischen und elektrophysiologischen Versuchsanordnungen bildet eine solide Basis, um die Rolle der MBONs bei der Gedächtnisbildung mit hoher zeitlicher Auflösung und im Hinblick auf interindividuelle Unterschiede zu untersuchen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Arican, Cansu cansu.arican@outlook.de orcid.org/0000-0003-2332-6268 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-642515
Date:	2022
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 neuroscience English learning and memory English sensorimotor English mushroom body English individuality English
Date of oral exam:	24 November 2022
Referee:	Name Academic Title Nawrot, Martin Prof. Dr. Büschges, Ansgar Prof. Dr. Korsching, Sigrun Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/64251