Universität zu Köln

Jürgensen, Anna-Maria ORCID: 0000-0002-7871-1887 (2023). Circuit motifs for sensory integration, learning, and the initiation of adaptive behavior in Drosophila. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Goal-directed behavior is crucial for survival in complex, dynamic environments. It requires the detection of relevant sensory stimuli and the formation of separable neuronal representations. Learning the contingencies of these sensory stimuli with innately positive or negative valent stimuli (reinforcement) forms associations, allowing the former to cue the latter. This yields cue-based predictions to upgrade the behavioral repertoire from reactive to anticipatory. In this thesis, the Trias of sensory integration, learning of contingencies, and the initiation of anticipatory behavior are studied in the framework of the fruit fly Drosophila olfactory pathway and mushroom body, a higher-order brain center for integrating sensory input and coincidence detection using computational network models representing the mushroom body architecture with varying degrees of abstraction. Additionally, simulations of larval locomotion were employed to investigate how the output of the mushroom body relates to behavior and to foster comparability with animal experiments. We showed that inhibitory feedback within the mushroom body produces sparse stimulus representations, increasing the separability of different sensory stimuli. This separability reduced reinforcement generalization in learning experiments through the decreased overlap of stimulus representations. Furthermore, we showed that feedback from the valence-signaling output to the reinforcement-signaling dopaminergic neurons that innervate the mushroom body could explain experimentally observed temporal dynamics of the formation of associations between sensory cues and reinforcement. This supports the hypothesis that dopaminergic neurons encode the difference between predicted and received reinforcement, which in turn drives the learning process. These dopaminergic neurons have also been argued to convey an indirect reinforcement signal in second-order learning experiments. A new sensory cue is paired with an already established one that activates dopaminergic neurons due to its association with the reinforcement. We demonstrated how different pathways for feedforward or feedback input from the mushroom body’s intrinsic or output neurons can provide an indirect reinforcement signal to the dopaminergic neurons. Any direct or indirect association of sensory cues with reinforcement yielded a reinforcement expectation, biasing the fly’s behavioral response towards the approach or avoidance of the respective sensory cue. We then showed that the simulated locomotory behavior of individual animals in a virtual environment depends on the biasing output of the mushroom body. In conclusion, our results contribute to understanding the implementation of mechanisms for separable stimulus representations, postulated key features of associative learning, and the link between MB output and adaptive behavior in the mushroom body and confirm their explanatory power for animal behavior.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Zielorientiertes Verhalten ist eine überlebenswichtige Fähigkeit in komplexen und dynamischen Umwelten. Notwendig dafür sind die Erfassung und separierbare neuronale Repräsentation sensorischer Reize. Die Kontingenzen zwischen dem Auftreten sensorischer Reize mit Reizen von naturgegebener positiver oder negativer Valenz (Verstärker) wahrzunehmen erlaubt es Assoziationen zwischen ihnen herzustellen. Dadurch kann der sensorische Reiz zum Hinweis auf den zu erwartenden Verstärker werden, was antizipatorisches, statt nur reaktivem Verhalten ermöglicht. Anhand des olfaktorischen Systems und des Pilzkörpers der Fruchtfliege Drosophila haben wir die Trias aus sensorischer Integration, des darauf aufbauenden Lernens von Kontingenzen und der Generierung von Verhaltensimpulsen untersucht. Der Pilzkörper ist eine zentrale Verarbeitungs- und Integrationsstelle multisensorischer Reize und ermöglicht die Erfassung von Koinzidenz die anhand von Netzwerkmodellen untersucht wurden, die die Mechanismen im Pilzkörper auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen abbilden. Teilweise wurden sie mit Simulationen des Verhaltens von Drosophila Larven kombiniert, die vom Aktivitätsmuster der Ausgangsneurone des Pilzkörpers beeinflusst werden um Vergleich mit Verhaltensexperimenten an echten Tieren zu erleichtern. Wir haben gezeigt, dass Inhibition auf Netzwerkebene zu einer sparsen Reiz-Repräsentation beitragen, die die Separierbarkeit von Reizen erhöht und den Grad der Generalisierung in Lernexperimenten reduziert. Außerdem konnten wir zeigen, dass Feedback der Valenz kodierenden Ausgangneurone auf dopaminerge Neurone, die die Gegenwart eines Verstärkers enkodieren, die experimentell beobachteten Dynamiken des Erwerbs von Assoziationen erklären kann. Dieses Ergebnis unterstützt die Hypothese, dass die dopaminergen Neurone im Pilzkörper die Differenz zwischen erwarteter und tatsächlicher Verstärkung berechnen und diese Differenz den Lernvorgang motiviert. Diese dopaminergen Neurone sind auch Kandidaten für die Vermittlung einer indirekten Verstärkung in Lernexperimenten höherer Ordnung. Diese zeichnen sich durch die gemein- same Präsentation eines Verstärkers mit einem sensorischen Reiz aus, der in der Folge selber als Verstärker wirken kann. Wir haben gezeigt, dass verschiedene Mechanismen, vermittelt durch die intrinsischen oder Ausgangneurone des Pilzkörpers geeignet sind diese indirekte Verstärkung an die dopaminergen Neurone zu übertragen. Allgemein erzeugte in unseren Studien jede Assoziation eines Reizes mit einem Verstärker eine Verstärkungserwartung die Verhaltensimpulse in Richtung von Annäherung oder Vermeidung beeinflusste. Zusätzlich haben wir das Verhalten simulierter Fliegenlarven in einer virtuellen Umgebung untersucht und festgestellt, dass die im Pilzkörper generierten Verhaltensimpulse sich direkt auf ihr tatsächliches Annäherungs- und Vermeidungsverhalten auswirken. Unsere Ergebnisse tragen dazu bei, die Implementierung der postulierten Mechanismen für separierbare Reiz-Repräsentation, assoziatives Lernen und den Übergang zwischen den Impulsen aus dem Pilzkörper und tatsächlichem adaptivem Verhalten zu untersuchen und zeigt deren Fähigkeit Verhalten in Tierexperimenten zu erklären. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Jürgensen, Anna-Maria a.juergensen@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-7871-1887 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-718362
Date:	2023
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
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language learning & memory UNSPECIFIED classical conditioning UNSPECIFIED behavior UNSPECIFIED sensory processing UNSPECIFIED olfactory learning UNSPECIFIED simulation UNSPECIFIED prediction error UNSPECIFIED sparse coding UNSPECIFIED
Date of oral exam:	5 May 2023
Referee:	Name Academic Title Nawrot, Martin Paul Prof. Dr. Ito, Kei Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/71836