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Authors: Flethe, Stefanie
Title: Gedächtnismechanismen und Gehirnstrukturen der Verhaltenskontrolle zum Umgang mit konkurrierenden visuellen Stimuli bei Drosophila melanogaster
Online publication date: 19-Jul-2018
Language: german
Abstract: Gegenstand der Untersuchungen war das Memotaxis-Gedächtnis von Drosophila melano-gaster. Memotaxis bezeichnet die zeitliche Integration einer sensorischen Information. Hier wird visuelle Information studiert. Wird eine Landmarke länger als eine gleich aussehende, alternative Landmarke gezeigt, so entscheiden sich wildtypische Fliegen für erstere Land-marke und bleiben bei ihrer Wahl, wenn die beiden Landmarken danach immer abwech-selnd gezeigt werden. Die Speicherung der visuellen Information trägt Züge einer Kurzzeitin-tegration; die Fliege kann damit Unterbrechungen im Sekundenbereich überbrücken. Ein Verlust dieses Integrators führt dazu, dass die Fliegen immer auf die gerade sichtbare Landmarke zulaufen, also Zickzack laufen. Daneben war ein visuelles Kurzzeitgedächtnis, auch visuelles Arbeitsgedächtnis genannt, bereits bekannt, das den Fliegen erlaubt, noch ca. vier Sekunden auf eine Landmarke zuzulaufen, die nicht mehr sichtbar ist. Selbst nach einer Ablenkung aus der Landmarkenrichtung können wildtypische Fliegen in 80% der Fälle wieder auf die ursprüngliche Richtung einschwenken. Die Biochemie und die Lokalisation des soge-nannten Detour-Gedächtnisses waren bekannt, so dass Gemeinsamkeiten und Unterschiede untersucht werden konnten. Es wird gezeigt, dass beide Prozesse auf biochemischer Ebene miteinander verknüpft sind. Im Zusammenhang mit der visuellen Kurzzeitintegration werden vier von fünf Subtypen der Ringneuronen benötigt. NMDA-Rezeptoren innerhalb des Ellip-soidkörpers sind für die visuelle Kurzzeitintegration und das visuelle Arbeitsgedächtnis essen-tiell. Knockdown-Versuche zeigen, dass beide Gedächtnisse nicht gebildet werden können, wenn die dNR1-Untereinheiten in den R1-, R2-, R3- oder R4-Ringneuronen-Subtypen herun-terreguliert werden. Darüberhinaus wird gezeigt, dass der Mg2+-Block der NMDA-Rezeptoren in den Ringneuronen-Subtypen R3 benötigt wird, um das Arbeitsgedächtnis zu etablieren, nicht aber für das Memotaxis-Gedächtnis. Weiterhin deckt die Arbeit auf, dass die doppelt regulierte rutabaga-Adenylylzyklase und der cAMP-Signalweg Einfluss auf die Memotaxis ausüben. Auch die ribosomale S6 Kinase II (RSKII) als Komponente des cGMP-Signalwegs ist an der Regulation des memotaktischen Verhaltens beteiligt. Anders als im visuellen Arbeitsgedächtnis wird NO, das durch die Nitritoxid-Synthase synthetisiert wird, nicht benötigt. Für die Funktion des visuellen Arbeitsgedächtnisses phosphoryliert die RSKII den Transkriptionsfaktor dCREB. Die vorliegende Studie schließt die Beteiligung von dCREB an der visuellen Kurzzeitintegration aus. Die aktuelle Studie zeigt, dass NMDA-Rezeptoren nicht nur zur Etablierung bestimmter Langzeitgedächtnisse bei Vertebraten beitragen, son-dern dass sie auch visuelle Orientierungsstrategien wie die visuelle Kurzzeitintegration und das Arbeitsgedächtnis in Drosophila beeinflussen und dass diese zwei Strategien auf bioche-mischer Ebene miteinander verknüpft sind.
The present study reveals the efficient encoding of a relevant visual target in spite of a visual distractor in a virtual-reality arena. This kind of memotactic behavior enables goal-driven behavior, so that flies are able to reach their goal in the presence of another compet-ing stimulus. This process is reminiscent of visual integration, which is a very short form of a visual memory and it lasts only one second. On the molecular level, the study turns out dif-ferences to another kind of memory, the visual working memory, but it also shows that both processes are closely intertwined. Working memory highlights the temporary maintenance of information, whereas memotaxis is necessary for encoding a relevant information and goal-driven behavior when competing visual stimuli are present. For visual orientation both phenomena are essential. The study provides evidence, that four of five subtypes of R-Neurons are necessary to facilitate memotactic behavior. Furthermore, NMDA-Receptors in the R-Neurons of the ellipsoid body enable the fly to hold the information in mind, although the visual target disappears and a distractor becomes visible. Interestingly, if these receptors are blocked in R1-, R2-, R3- or R4-Neurons, flies can not establish a visual working memory. By this view, memotactic behavior and visual working memory are closely interlinked. But there are also some further communalities with memotactic behavior. The adenylylcyclase (AC), a component of the cAMP/PKA (cyclic adenosine monophosphate/proteinkinase A)-signaling pathway, is necessary for encoding the visual information and permits goal-driven behavior. The Knockdown of rut in either one of the five subtypes of R-neurons prevents memotactic behavior. Another component is the ribosomal S6 kinase II (RSKII). ign58/1-mutants do not show memotactic memory. Goal-driven behavior can be rescued by express-ing a copy of wild-type cDNA of ign in either one of the R-neurons in an ign-mutant back-ground. Different from visual working memory the study shows that dCREB phosphorylation by RSKII is not essential for memotaxis, so we have to assume that there are other targets of RSKII. Furthermore, instead of nitric oxide (NO), which activates the soluble guanylyl cyclase (sGC) in visual working memory, other gasotransmitters must be essential because the knockdown of nitric oxide synthase (NOS) does not disrupt memotactic behavior. Moreover, the overexpression of NOS disrupts the visual working memory, whereas flies with the same genetic construct show goal-driven behavior in the memotactic paradigm. In summary, the present study contributes to the identification of a biochemical pathway and establishes a model, which reveals the first insights into visual short-term integration.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2164
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: IV, 201 Seiten
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