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Titel:Processing of Polarization Patterns and Visual Self-Motion in the Locust Central Complex for Spatial Orientation
Autor:Zittrell, Frederick
Weitere Beteiligte: Homberg, Uwe (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2021
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2022/0085
DOI: https://doi.org/10.17192/z2022.0085
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2022-00853
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Publikationsdatum:2022-04-28
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Dokument

Schlagwörter:
Neurobiologie, Orientierung, Insekten, Wüstenheuschrecke, Polarisiertes Licht, Optischer Fluss, Neuroethologie

Summary:
Despite their relatively small brains with comparatively low neuron counts, insects show complex navigation behavior such as seasonal long-range migration, path integration, and precise straight-line movement. Spatial navigation requires a sense of current heading, which must be tethered to prominent external cues and updated by internal cues that result from movement. Global external cues such as the position of the sun may provide a reference frame for orientation. Sunlight is polarized by scattering in the atmosphere, which results in a sky-spanning polarization pattern that directly depends on the current solar position and makes polarization information, like the sun itself, useful as an external reference cue. Internally, moving through the environment generates optic flow---the motion of the viewed scenery on the retina---, which may inform about turning maneuvers, movement speed, and covered distance. Many insects use these external and internal cues for orientation, and the neuronal center for spatial navigation likely is the central complex, a higher-order brain structure where sensory information is integrated to form an internal compass representation of the current heading. This thesis addresses the question how celestial compass cues, specifically the polarization pattern, and optic flow are processed in the central complex of the desert locust, a long-range migratory insect. All chapters except the last one are electrophysiological studies in which single central-complex neurons were intracellularly recorded while presenting visual stimuli. The neurons' anatomy was histologically determined by dye injection in order to infer their role in the neural network. The studies in Chapters 1 and 2 show that the central complex contains a neuronal compass that robustly signals the sun direction based on direct sunlight and the integration of the whole solar polarization pattern. This shows that the locust brain uses all available skylight cues in order to form a unified compass signal, enabling robust navigation under different environmental conditions. The study in Chapter 3 further examines how neurons at the input stage of the central complex process skylight cues. Already at this stage, single neurons integrate visual information from large areas of the sky and have receptive fields suitable to build the skylight compass. Chapter 4 sheds light on the detection sensitivity for the angle of polarization, finding that central-complex neurons are highly sensitive in this regard, adapted to analyze the skylight polarization pattern almost in its entirety and under unfavorable environmental conditions. In Chapter 5 the locust central complex was scanned for neurons that receive optic flow information. Neurons at virtually all network stages are sensitive to optic flow, mainly uncoupled from skylight-cue sensitivity. This highlights that sensory information is flexibly processed in the central complex, presumably depending on the animal's current behavioral demands. Further, the study hypothesizes how horizontal turning motion is processed in order to update the internal heading representation, backed up by a computational model that adheres to brain anatomy and physiological data. Altogether, these studies advance the understanding of how external and internal cues are processed in the central-complex network in order to establish a sense of orientation in the insect brain. Finally, I contributed with data sets and programming code to the development of the InsectBrainDatabase (www.insectbraindb.org), a free online database tool designed to manage, share and publish anatomical and functional research data (Chapter 6).

Zusammenfassung:
Trotz ihrer relativ kleinen Gehirne und vergleichsweise geringen Anzahl an Nervenzellen zeigen Insekten komplexes Navigationsverhalten.Navigation erfordert einen Sinn für die aktuelle Bewegungsrichtung im Raum. Diese Richtung ist relativ, sie muss deshalb an markante externe Punkte gebunden sein und kontinuierlich durch interne, aus der Eigenbewegung entstehende Signale korrigiert werden. Der Sonnenstand kann als globaler externer Ankerpunkt für Navigation dienen. Sonnenlicht wird durch Streuung in der Atmosphäre polarisiert, wodurch ein systematisches Muster an Polarisationswinkeln im Himmel entsteht, das wie die Sonne selbst als externe Referenz dienen kann. Intern erzeugt Fortbewegung optischen Fluss -- die Bewegung des Umgebungsbildes auf der Retina. Daraus können Drehbewegungen, Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke abgeleitet werden. Viele Insekten nutzen diese externen und internen Signale zur Orientierung; im Gehirn bildet vermutlich der Zentralkomplex (ZK) das Navigationszentrum. In diesem Gehirnareal führt die Verarbeitung sensorischer Informationen zur Entstehung eines internen Kompass-Signals, das fortlaufend die Körperausrichtung widerspiegelt. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Verarbeitung von Himmelskompass-Signalen, im Speziellen dem Polarisationsmuster, und optischem Fluss im ZK der Wüstenheuschrecke, einem über weite Strecken migrierenden Insekt. Alle Kapitel mit Ausnahme von Kapitel 6 sind elektrophysiologische Arbeiten, bei denen einzelne Nervenzellen intrazellulär abgeleitet und gleichzeitig das Tier visuell stimuliert wurde. Durch Farbstoff-Injektion konnte die Zellanatomie nachvollzogen werden und auf die Rolle im Nervensystem geschlossen werden. Kapitel 1 und 2 zeigen, dass im ZK ein neuronaler Kompass implementiert ist, der sowohl durch Verarbeitung direkten Sonnenlichts als auch des Polarisationsmusters die Sonnenposition anzeigt. Das zeigt, dass das Heuschreckengehirn verschiedene Himmelskompass-Signale so verarbeitet, dass ein einheitliches Kompass-Signal entsteht, das Navigation unter unterschiedlichen Umweltbedingungen ermöglicht. Darauf aufbauend wird in Kapitel 3 beleuchtet, wie in der Eingangs-Station des ZK Himmelskompass-Signale verarbeitet werden. Einzelne Zellen integrieren schon auf dieser Ebene visuelle Eindrücke über große Bereiche des Himmels und verfügen über rezeptive Felder, mit denen das Himmelskompass-Signal gebildet werden kann. In Kapitel 4 wird die Wahrnehmungs-Schwelle für den Polarisationswinkel untersucht und gezeigt, dass ZK-Zellen in dieser Hinsicht hochsensitiv sind und deshalb nahezu das gesamte Polarisationsmuster des Himmels analysieren können. Kapitel 5 behandelt die Verarbeitung optischen Flusses. Auf fast allen Netzwerk-Ebenen des ZK reagieren Einzelzellen auf optische Flussreize, und zwar weitgehend unabhängig von der Empfindlichkeit für Himmelskompass-Signale. Das impliziert, dass die Verarbeitung sensorischer Eindrücke im ZK vom Verhaltenskontext abhängt. Ferner wird gezeigt, wie Drehbewegungen verarbeitet werden könnten, um das interne Kompass-Signal zu justieren, gestützt durch eine rechnerische Modellierung, die auf anatomischen und physiologischen Daten basiert. Zusammengenommen tragen diese Arbeiten zum Verständnis dessen bei, wie im Insektengehirn die Verarbeitung externer und interner Sinneseindrücke dazu führt, den Orientierungssinn zu formen. Schließlich trug ich mit Datensätzen und Programmcode zur Entwicklung der InsectBrainDatabase (www.insectbrainDB.org) bei, einer frei zugänglichen Onlineplattform für die Verwaltung, Verteilung und Publikation von Forschungsdaten (Kapitel 6).


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