Sensory and neuronal bases of navigation: Neuroanatomical and electrophysiological studies in \(Bombus\) \(terrestris\)

Autor: Rother (maiden name: Seeberger), Lisa
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2024
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Doctoral Thesis
DOI: 10.25972/OPUS-36077
Popis: Bumblebees (Bombus terrestris) are renowned for their exceptional orientation abilities during central place foraging and rely heavily on their visual system for color perception, motion detection, and polarization vision. This study employs various neuroethological methodologies to evaluate the dynamics of the visual system. Initially, I established a neuroanatomical foundation by creating the first standard brain atlas of bumblebees, utilizing micro-CT scans instead of conventional staining techniques to minimize brain damage during processing. This endeavor sets the stage for future comparative and neuron localization studies. In the next step, I performed electrophysiological studies, including electroretinography combined with behavioral experiments and intracellular recordings, to explore the dynamics of neuronal responses in the visual system to various factors such as state dependency, temperature variations, and adaptation. These recordings indicated that neuronal information processing is influenced by state dependency, with photoreceptor responses accelerating when bumblebees are walking compared with resting animals. Moreover, photoreceptor responses became faster at higher temperatures, suggesting that a walking-induced rise in body temperature—and, as a result, eye temperature—could improve temporal resolution in vision. Dynamic phenomena extend not only to peripheral structures like photoreceptors, but also to the central brain region of bumblebees, especially the central complex. Neuronal stimulation with naturalistic polarized-light stimuli revealed that the neuronal activity was modulated not only by rotational velocity, and direction but also by spiking history. The latter can facilitate faster adjustment of the heading signal and leads to reduced overall activity, leading to reduced energy consumption during straight flight. Taken together, I examined the neuroethological aspects of the visual system in B. terrestris and revealed its dynamic characteristics, including temperature- and state-dependent responses in photoreceptors, as well as adaptation dynamics in the central complex. These dynamics contribute to the optimization of neuronal processes in the visual system. Additionally, I have laid the groundwork for future investigations by establishing an anatomical foundation to study the visual system and its circuits.
Die Erdhummel Bombus terrestris ist für ihre außergewöhnliche Orientierungsfähigkeit bekannt. Bei der zentralen Nahrungssuche, verlassen sie sich dabei stark auf ihr visuelles System, welches unter anderem für Farbwahrnehmung, Bewegungserkennung und das Polarisations-Sehen genutzt wird. In dieser Studie habe ich verschiedene neuroethologische Methoden genutzt, um die Dynamik des visuellen Systems zu untersuchen. Zu Beginn habe ich als anatomische Grundlage den ersten 3D-Standard-Atlas der Hummel erstellt. Die Nutzung von Mikro-CT-Scans anstelle konventioneller Färbetechniken zeigte dabei viele Vorteile, wie zum Beispiel die Vermeidung bzw. Minimierung von Gewebsschäden während der Präparation. Dieses Projekt bildet die Grundlage für künftige vergleichende Studien, Lokalisierung von Neuronen und dem besseren Verständnis von neuronalen Schaltkreisen. In den folgenden Projekten führte ich elektrophysiologische Studien, wie Elektroretinogramme in Kombination mit Verhaltensexperimenten und intrazellulären Aufnahmen durch, um die Dynamik der Antworten des visuellen Systems auf verschiedene Faktoren wie Zustandsabhängigkeit, Temperatur oder Adaptation zu testen. Die Ergebnisse der zweiten Studie zeigten, dass die neuronale Informationsverarbeitung durch die Zustandsabhängigkeit beeinflusst wird, wobei bei laufenden Hummeln die Reaktionen der Photorezeptoren beschleunigt werden. Darüber hinaus wurden Photorezeptor-Reaktionen bei höheren Temperaturen schneller, was darauf hinweist, dass eine durch das Laufen der Hummel verursachte Erhöhung der Körper- und Augentemperatur die zeitliche Auflösung im visuellen System verbessern kann. Solche dynamischen Phänomene findet man nicht nur in peripheren Strukturen wie den Photorezeptoren, sondern auch in zentralen Hirnregionen, wie dem Zentralkomplex. In der dritten Studie zeigten die Stimulationen von einzelnen Neuronen mit naturalistischem polarisierten Licht, dass die neuronale Aktivität nicht nur durch Rotationsgeschwindigkeit und -richtung, sondern vor allem auch durch die Spiking-Historie, also vorangegangene Aktivitäten moduliert wird. Diese kann eine schnellere Anpassung des Richtungssignals ermöglichen und zu einer insgesamt reduzierten neuronalen Aktivität führen, was zu einem verringerten Energieverbrauch während Flügen von Hummeln ohne Richtungswechsel führt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ich das visuelle System von B. terrestris mit neuroethologisches Ansätzen untersucht habe. Dabei konnte ich dynamische Eigenschaften, wie Temperatur- und Zustandsabhängigkeit der Photorezeptoren, sowie Adaptations- Dynamiken im Zentralkomplex zeigen. All diese Dynamiken tragen zur Optimierung neuronaler Prozesse im visuellen System bei. Darüber hinaus bildet mein Neuroanatomie- Projekt die Grundlage für zukünftige Untersuchungen des visuellen Systems und seiner Vernetzungen.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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