Universität zu Köln

Claßen, Gerbera Regina (2018). The Role of Octopamine in Attraction and Aversion Behavior in Drosophila melanogaster. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

All animals are exposed to environmental stimuli and influences at any time and place. They have to decide whether to respond to a stimulus and whether the reaction should be approach or aversion. In this thesis, the role of OA in Drosophila melanogaster as a reinforcer to these kinds of stimuli was investigated. Therefore the optogenetic site attraction assay, the olfactory two odor choice paradigm and feeding of pharmacological active substances were utilized. So far OA was only known as a positive reinforcer, for example in appetitive olfactory learning and memory, while DA acts as a negative reinforcer in aversive learning and memory (Schwaerzel et al., 2003; Schneider et al., 2012). Here it is shown, that OA can also function as a negative reinforcer. OA is able to mediate attraction and aversion behavior. Optogenetic activation of a Tdc2-GAL4 targeted tyraminergic/octopaminergic/ cholinergic set of neurons elicited site attraction, independent of the used channelrhodopsin transgene. A smaller subset of 6.2-Tbh-GAL4 driven tyraminergic/ octopaminergic/cholinergic neurons, the VUMa4 neurons, which is part of the site attraction eliciting set of neurons, was able to induce site aversion when activated. Both, site attraction and site aversion, are due to OA and not to TA, as activation of these two tyraminergic/octopaminergic/cholinergic subsets in the TbhnM18 mutant background abolished site attraction and site aversion, respectively. So the behavioral outcome is dependent on the combination of activated neurons and OA can function not only as a positive but also as a negative reinforcer. Furthermore, OA is sufficient and necessary for olfactory attraction behavior. This was shown by pharmacological experiments. The loss of olfactory ethanol attraction phenotype in TbhnM18 mutants (Schneider et al., 2012) could be restored to control level by feeding OA, while elimination of OA signaling with epinastine (an OA antagonist) abolished the natural attraction of w1118 control flies towards ethanol containing food odors. Thus the loss of olfactory ethanol attraction phenotype of the TbhnM18 mutants is caused by the lack of OA and not due to the increased levels of TA. Mutants overexpressing the Tbh enzyme show a similar phenotype in ethanol attraction and locomotion like the mutants lacking Tbh. Therefore, it seems like a certain balance or interaction between these two neurotransmitters is needed for proper regulation of behavior. Furthermore, OA is required to switch a behavioral response. The approaching or aversive response of a fly towards a stimulus is mediated by OA and it is also possible to shift an already existing attraction towards attractive ethanol containing food odor to another, less attractive stimulus. This suppression of a normally positive estimated response by activation of tyraminergic/ octopaminergic neurons indicates that OA is maybe not involved in attraction or aversion itself, but in the initiation and the switch between these two behaviors. TbhnM18 mutants, which lack OA, consequently fail to show this switch in behavior. Furthermore it was shown, that the obtained results in the optogenetic site attraction assay are channelrhodopsin transgene independent and thus real. Two different channelrhodopsins (ChR2 and ReaChR) were tested in more detail and neuronal light activation resulted in site attraction (activation of Tdc2-GAL4 targeted neurons) or site aversion (activation of 6.2-Tbh-GAL4 targeted neurons), independent of the used channelrhodopsin. For activation of the different channelrhodopsins it is important to find a suitable wavelength and light intensity. Additionally, neuronal light activation of these tyraminergic/octopaminergic neurons is not frequency dependent. The observed differences are possibly due to the kinetics of the different transgenes. Taken together, OA is sufficient and necessary for attraction and aversion behavior and therefore acts as a positive and negative reinforcer. It is probably not involved in these behaviors itself, but mediates the switch between an approach and an aversive reaction to a stimulus. Thus OA orchestrates the behavioral outcome by biasing the decision of Drosophila melanogaster towards different stimuli.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Die Rolle von Oktopamin in attraktivem und aversivem Verhalten in Drosophila melanogaster German
Translated abstract:	Abstract Language Tiere sind überall und zu jeder Zeit den Einflüssen der Umwelt ausgesetzt. Dabei müssen sie sich entscheiden, ob sie auf einen Stimulus reagieren und ob diese Reaktion in Annäherung an den Stimulus oder in Rückzug endet. In dieser Doktorarbeit wurde die Rolle von OA in Drosophila melanogaster als ein Verstärker von dieser Art von Einflüssen untersucht. Dafür wurden der optogenetische Site Attraction Assay, der olfaktorische Two Odor Choice Assay und das Füttern von pharmakologischen Substanzen verwendet. Bisher war OA nur als positiver Verstärker bekannt, zum Beispiel im appetitiven olfaktorischen Lernen und Gedächtnisbildung, während DA der negative Verstärker in aversivem Lernen und Gedächtnisbildung war (Schwaerzel et al., 2003; Schneider et al., 2012). Hier wird nun gezeigt, dass OA genauso als negativer Verstärker arbeiten kann. OA ist in der Lage sowohl attraktives, als auch aversives Verhalten zu vermitteln. Optogenetische Aktivierung von Tdc2-GAL4 getriebenen tyraminergen/ oktopaminergen/cholinergen Neuronen löste eine Seiten-Präferenz aus, unabhängig vom verwendeten Channelrhodopsin Transgen. Ein kleineres Set von 6.2-Tbh-GAL4 getriebenen tyraminergen/oktopaminergen/cholinergen Neuronen, den VUMa4 Neuronen, welche Teil des Seiten-Präferenz auslösenden Set von Neuronen ist, war in der Lage bei Aktivierung Seiten-Aversion auszulösen. Beide Verhalten, Seiten-Präferenz und Seiten-Aversion, werden durch OA und nicht durch TA vermittelt, da eine Aktivierung dieser beiden tyraminergen/oktopaminergen/cholinergen Sets in einem TbhnM18 mutanten Hintergrund zum Verlust der Seiten-Präferenz bzw. der Seiten-Aversion führte. Daher ist das schließlich gezeigte Verhalten abhängig von der Kombination and aktivierten Neuronen und OA arbeitet nicht nur als positiver Verstärker, sondern auch als negativer Verstärker. Des Weiteren ist OA ausreichend und notwendig für olfaktorische Präferenz. Dies wurde durch pharmakologische Experimente gezeigt. Der Verlust der olfaktorischen Ethanol Präferenz in TbhnM18 Mutanten (Schneider et al., 2012) konnte durch Füttern von OA zurück auf Wildtyp Level gebracht werden, während eine Unterdrückung des OA Signalwegs durch Füttern von Epinastine (ein OA Antagonist) zum Verlust der natürlichen Präferenz für Alkohol enthaltende Futterdüfte der w1118 Kontrollfliegen führte. Deswegen ist der Phänotyp mit Verlust der olfaktorischen Ethanolpräferenz in TbhnM18 Mutanten auf das Fehlen von OA zurück zu führen und nicht auf den erhöhten TA Spiegel. Mutanten, die eine Überexpression des Tbh Enzyms aufweisen, zeigen einen ähnlichen Phänotyp in Ethanol Präferenz und Lokomotion, wie die Mutanten, denen das Tbh Enzym fehlt. Daher scheint es, dass ein Gleichgewicht und ein Zusammenspiel dieser beiden Neurotransmitter notwendig ist, um normales Verhalten zu zeigen. Darüber hinaus wird OA auch für den Wechsel zwischen zwei Verhaltensantworten benötigt. Die annähernde oder zurückweichende Reaktion einer Fliege auf einen Stimulus wird durch OA vermittelt und es ist sogar möglich, eine schon bestehende Präferenz für einen attraktiven, Alkohol enthaltenden Futterduft durch eine Präferenz für einen anderen, weniger attraktiven Futterduft zu ersetzen. Diese Unterdrückung von einer normalerweise als positiv bewertete Reaktion, hervorgerufen durch die Aktivierung von tyraminergen/ oktopaminergen Neuronen, deutet daraufhin, dass OA eventuell nicht selbst in Präferenz- oder Aversionsverhalten involviert ist, sondern eher an der Einleitung oder dem Wechsel zwischen diesen zwei Verhalten beteiligt ist. TbhnM18 Mutanten, welche keine OA besitzen, versagen daher diesen Wechsel zwischen zwei Verhalten zu zeigen. Außerdem wurde gezeigt, dass die mit dem optogenetischem Site Attraction Assay erzielten Ergebnisse nicht abhängig vom verwendeten Channelrhodopsin sind und daher echt sind. Es wurden zwei verschiedenen Channelrhodopsine (ChR2 und ReaChR) genauer untersucht und die neuronal Lichtaktivierung hatte im Fall von Tdc2-GAL4 getriebenen Neuronen Seiten-Präferenz und im Fall von 6.2-Tbh-GAL4 getriebenen Neuronen Seiten-Aversion zur Folge, und das unabhängig vom Channelrhodopsin. Für die Aktivierung der verschiedenen Channelrhodopsine ist eine passende Wellenlänge und Lichtintensität notwendig. Zudem ist die neuronale Aktivierung dieser tyraminergen/oktopaminergen Neurone nicht von einer Frequenz abhängig. Die beobachteten Unterschiede sind eher auf die verschiedenen kinetischen Eigenschaften der unterschiedlichen Channelrhodopsine zurück zu führen. Zusammengefasst bedeutet das, dass OA ausreichend und notwendig für attraktives und aversives Verhalten ist und somit sowohl als positiver, als auch als negativer Verstärker funktionieren kann. Es ist vermutlich nicht direkt in diese Verhalten involviert, sondern vermittelt den Wechsel zwischen einer annähernden oder einer zurückweichenden Reaktion auf einen Stimulus. Daher verändert OA die Verhaltensantwort durch das Beeinflussen der Entscheidung, die von Drosophila melanogaster als Reaktion auf einen Stimulus gefällt wird. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Claßen, Gerbera Regina GerberaR.Clahsen@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-85589
Date:	2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Drosophila, Octopamine, Attraction, Aversion, Tbh, Decision making, Ethanol, Food odor English Drosophila, Oktopamine, Attraktion, Aversion, Tbh, Entscheidungsfindung, Ethanol, Futtergerüche German
Date of oral exam:	20 June 2018
Referee:	Name Academic Title Scholz, Henrike Prof. Dr. Baumann, Arnd Prof. Dr.
Funders:	DFG
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8558