The neuronal substrates of reinforcement and punishment in Drosophila melanogaster

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	2 October 2019
Referee:	Prof. Dr. Björn Brembs
Date of exam:	24 July 2019
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Neurogenetik (Prof. Dr. Björn Brembs)
Keywords:	Dopamine, Neuron, Drosophila melanogaster
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	40740

Abstract (English)

Actions are followed by consequences, to which values are assigned. These subjective values shape our future actions in what we colloquially call “learning by doing”. But how does the assignment of values to behavioral consequences occur in the brain? In mammals as well as in three different superphyla within protostomes (Nematoda, Platyhelminthes and Mollusca) this is mediated by dopamine. ...

Abstract (English)

Actions are followed by consequences, to which values are assigned. These subjective values shape our future actions in what we colloquially call “learning by doing”. But how does the assignment of values to behavioral consequences occur in the brain? In mammals as well as in three different superphyla within protostomes (Nematoda, Platyhelminthes and Mollusca) this is mediated by dopamine. However, little is known about the neural basis of value assignment to behaviors in the Arthropoda. In order to address which neurons convey punishment and reinforcement in insects, we performed four different experiments in which flies (Drosophila melanogaster) could control the on/off state of different subsets of dopaminergic neurons. We found that the effects of these neurons across operant (feedback) conditioning have no relation to their role observed in previously well studied pavlovian (feedforward) conditioning. These results suggest fundamentally different neuronal circuits dedicated to operant and pavlovian learning processes. The reinforcing value of most of the tested neurons is context dependent and differs among the tested operant paradigms. However, there are two exceptions: two different cell clusters projecting to different neuropils in the central complex (CX) and accessory regions, a brain area involved in multisensory integration and action selection, seem to be responsible for the reinforcement of motor commands in a context-independent way. These findings support a conserved mechanism of dopaminergic reinforcement in higher order motor centers across phyla.

Translation of the abstract (German)

Auf Aktionen folgen Konsequenzen, denen Werte zugewiesen werden. Diese subjektiven Werte prägen unser zukünftiges Handeln in dem, was wir umgangssprachlich "learning by doing" nennen. Aber wie erfolgt die Zuordnung von Werten zu Verhaltensfolgen im Gehirn? Bei Säugetieren sowie in drei verschiedenen Superphyla innerhalb der Protostome (Nematoda, Platyhelminthes und Mollusca) wird dies durch ...

Translation of the abstract (German)

Auf Aktionen folgen Konsequenzen, denen Werte zugewiesen werden. Diese subjektiven Werte prägen unser zukünftiges Handeln in dem, was wir umgangssprachlich "learning by doing" nennen. Aber wie erfolgt die Zuordnung von Werten zu Verhaltensfolgen im Gehirn? Bei Säugetieren sowie in drei verschiedenen Superphyla innerhalb der Protostome (Nematoda, Platyhelminthes und Mollusca) wird dies durch Dopamin vermittelt. Über die neuronalen Grundlagen der Wertzuweisung an Verhaltensweisen bei der Arthropoda ist jedoch wenig bekannt. Um herauszufinden, welche Neuronen bei Insekten Bestrafung und Verstärkung bewirken, haben wir vier verschiedene Experimente durchgeführt, bei denen Fliegen (Drosophila melanogaster) den Ein- / Aus-Zustand verschiedener Untergruppen von dopaminergen Neuronen kontrollieren konnten. Wir fanden heraus, dass die Auswirkungen dieser Neuronen auf die Konditionierung von Operanten (Feedback) in keiner Beziehung zu ihrer Rolle stehen, die bei der zuvor gut untersuchten Konditionierung von Pavlovian (Feedforward) beobachtet wurde. Diese Ergebnisse legen grundsätzlich unterschiedliche neuronale Schaltkreise nahe, die sich operanten und pawlowschen Lernprozessen widmen. Der Verstärkungswert der meisten getesteten Neuronen ist kontextabhängig und unterscheidet sich zwischen den getesteten operanten Paradigmen. Es gibt jedoch zwei Ausnahmen: Zwei unterschiedliche Zellcluster, die auf verschiedene Neuropile im Zentralkomplex (CX) projizieren, und akzessorische Regionen, eine Gehirnregion, die an der multisensorischen Integration und Aktionsauswahl beteiligt ist, scheinen für die Verstärkung motorischer Befehle in einem Kontext verantwortlich zu sein -unabhängiger Weg. Diese Ergebnisse stützen einen konservierten Mechanismus der dopaminergen Verstärkung in motorischen Zentren höherer Ordnung in der Phyla.

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