Timing-dependent reinforcement learning in larvae of Drosophila melanogaster

Abstract

Für alle Tierarten ist es unerlässlich, Belohnung und Bestrafung adaptiv zu verarbeiten, um ihr Verhalten an die jeweiligen Umstände anzupassen. Bei Beeinträchtigung dieser Verarbeitung, kommt es zu psychischen Störungen, und Verhalten kann nicht richtig angepasst werden, um eine Belohnung zu erhalten und eine Bestrafung zu vermeiden. Ein wichtiger Aspekt dieser Verhaltensanpassung ist, dass ein und dieselbe Belohnung/Bestrafung gegensätzliche Motivation auslösen und das Verhalten in entgegengesetzte Richtungen lenken kann. Zu erwarten sind Freude über den Beginn einer Belohnung, und Frustration über ihr Ende. Insbesondere das Lernen über das Ende einer Belohnung wurde in der Forschung bisher vernachlässigt. Die Larven von Drosophila melanogaster sind in dieser Hinsicht ein attraktives Modell, denn obwohl ihr Gehirn numerisch einfach ist, sind sie zu ausreichend komplexem Verhalten fähig, um diese Lernprozesse zu untersuchen. Angesichts des bekannten Konnektoms des Larvengehirns ist es in der Tat möglich, Schaltkreise im Gehirn auf der Ebene einzelner Zellen zu untersuchen. Im ersten Teil benutze ich transgene Manipulationen an larvalen Drosophila, um das Lernen über den Beginn und das Ende eines zentralen Belohnungssignals im Gehirn, erreicht durch optogenetische Aktivierung des dopaminergen Neurons DAN-i1, zu untersuchen. Je nachdem, wann ein Geruch in Bezug auf die Aktivierung des DANs präsentiert wird, zeigen die Larven Gedächtnisse mit entgegengesetzter Valenz. Diese Ergebnisse werden mit dem Lernen über den Beginn und das Ende der Aktivierung des Bestrafung signalisierenden DAN-f1s verglichen und in den Kontext anderer Formen der Konditionierung gestellt, die zeigen, dass der Zeitpunkt einer Belohnung/Bestrafung für das Lernen entscheidend ist. Im zweiten Teil stelle ich ein Protokoll zur Fütterung des Dopaminsynthesehemmers 3-Iodo-L-Tyrosin vor. Mit Hilfe dieser akuten systemischen Hemmung der Signalübertragung durch Dopamin, wird die Beteiligung von Dopamin am Belohnungslernen bei larvalen Drosophila und am Bestrafungslernen bei Fliegen von Drosophila demonstriert. Die Kombination dieses pharmakologischen Ansatzes zusammen mit den genetischen Techniken, die bei Drosophila zur Verfügung stehen, um neuronale und verhaltensbezogene Funktionen zu manipulieren, könnten dazu beitragen, Schaltkreisprinzipien zu identifizieren und die neuronalen Mechanismen aufzudecken, die diesen Gedächtnissen mit unterschiedlicher Valenz zugrunde liegen.

For all animal species, it is essential to process reward and punishment adaptively in order to adapt their behaviour to given circumstances. If this processing is disturbed mental disorders arise and behaviour cannot be properly adapted to obtain reward nor to avoid, or escape, punishment. An important aspect of this behavioural adaptation is that the same reward/punishment can be motivationally opposing and steer behaviour into opposite directions. While the beginning of a reward is something desirable, the termination of a reward is something rather frustrating. In particular, learning about the termination of a reward has been neglected in research. The larvae of Drosophila melanogaster serve as an attractive study case in this regard because, although their brain is numerically simple, they are capable of sufficiently complex behaviour to study these learning processes. Given the well-known connectome of the larval brain, it is indeed possible to study brain circuits on the level of single cells. In the first part, I use transgenic manipulation of larval Drosophila to investigate learning about the beginning and termination of a central brain reward signal via optogenetic activation of the dopaminergic neuron DAN-i1. Depending on when an odour is presented with respect to the activation of the DAN, larvae show memories of opposite valence. These results are compared with learning about the beginning and termination of the punishment-signalling DAN-f1 and further placed in the context of other forms of conditioning showing that the timing of a reward/punishment is critical for reinforcement learning. In the second part, I establish a feeding protocol of the dopamine synthesis inhibitor 3-Iodo-L-tyrosine. Using this for an acute systemic inhibition of dopamine signalling, the involvement of dopamine in odour-sugar reward-learning in larval Drosophila and in odour-DAN punishment-learning in adult Drosophila is demonstrated. Combining this pharmacological approach together with the genetic techniques available in Drosophila to manipulate neuronal and behavioural functions could help identify circuit principles and reveal the neuronal mechanisms underlying the memories of different valences.