Nina Maria Wilhelmy

• To ensure survival it is essential that animals adjust their behaviour based on previous experience. Learning and memory are therefore fundamental to ensure proper responses to external stimuli. The mushroom body (MB) of Drosophila melanogaster is considered the centre of learning and memory and plays a crucial role in associative learning. In this thesis I analysed different aspects of the formation and function of the MB using genetic manipulations to provide a better understanding of the MB and its connectome. I established a new labelling protocol that improves labelling quality. The consequential enhancement in contrast of immunohistochemical signals enables to overcome previously observed limitations in quantification. Furthermore, I aimed to generate an artificial olfactory associative memory in the absence of olfactory stimulation. For this approach a new setup and more quantification tools were established in collaboration with colleagues to enable artificial conditioning using optogenetics and subsequent data analysis. The approach failed to induce significant changes in behaviour. To further investigate the dopaminergic signalling within the MB I characterised newly developed optogenetic dopamine receptors in the adult central nervous system. I confirmed their correct subcellular localisation and successful in vivo activation. This enables to use them for further optogenetic approaches in the future. Furthermore, I demonstrated that mushroom body output neurons do express dopamine receptors endogenously and that their expression levels vary between individual mushroom body output neurons. I analysed the role of Tsunagi and Meltrin on MB development. Both proteins were found to be essential during axonal development of MB neurons. Tsunagi regulates axon guidance of α/β neurons and might also be required for their bifurcation. I demonstrated that Meltrin is required non-cell-autonomously in the MB for the development of α/β neurons by regulating bifurcation and/or stabilisation of axons. I successfully characterised the localisation of Spinophilin in the adult central nervous system. It was highly enriched in the lamina and the calyx region of the adult brain. The results of knockdown, overexpression and colocalization experiments strongly imply that Spn is located postsynaptically to a large extend. Furthermore, I confirmed that the loss of Spn causes locomotion defects resulting in impaired negative gravitaxis behaviour. Distinct locomotive impairments were observed for Spn mutants compared to a pan-neuronal knockdown of Spn suggesting compensatory mechanisms in case of protein knockdown.
• Um ihr Überleben zu sichern, müssen Tiere ihr Verhalten basierend auf früheren Erfahrungen anpassen. Daher sind Lernen und Gedächtnis essenziell, um eine angemessene Reaktion auf äußere Reize zu ermöglichen. Der Pilzkörper (Mushroom body, MB) der Fruchtfliege Drosophila melanogaster gilt als das Zentrum des Lernens und des Gedächtnisses und spielt eine entscheidende Rolle bei assoziativen Lernprozessen. In dieser Arbeit habe ich mit Hilfe genetischer Manipulationen verschiedene Aspekte der Ausbildung und Funktion des MBs untersucht, um ein besseres Verständnis dieses Neuropils und seines Konnektoms zu erlangen. Ich etablierte ein neues Färbeprotokoll, welches die Qualität der Färbung verbessert. Der daraus resultierende erhöhte Kontrast immunhistochemischer Signale ermöglicht es, zuvor bei Quantifizierungen aufgetretene Limitationen zu überwinden. Des Weiteren war die Erzeugung eines künstlichen olfaktorischen assoziativen Gedächtnisses in Abwesenheit olfaktorischer Reize mein Ziel. Für diesen Ansatz entwickelte ich in Zusammenarbeit mit Kollegen einen neuen Versuchsaufbau und zusätzliche Quantifizierungsmethoden, um eine künstliche Konditionierung mittels Optogenetik und die anschließende Datenanalyse zu ermöglichen. Der Versuchsansatz führte zu keiner signifikanten Verhaltensänderung. Zur weiteren Untersuchung der dopaminergen Signalübertragung im MB charakterisierte ich die neu entwickelten optogenetischen Dopaminrezeptoren im adulten zentralen Nervensystem. Ich bestätigte ihre korrekte subzelluläre Lokalisierung und erfolgreiche in vivo Aktivierung. Das ermöglicht ihre Nutzung für weitere optogenetische Ansätze in der Zukunft. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass pilzkörperextrinsische Neurone (mushroom body output neurons) Dopaminrezeptoren endogen exprimieren und dass sich die Expressionsstärke zwischen einzelnen pilzkörperextrinsischen Neuronen unterscheidet. Ich untersuchte die Rolle von Tsunagi und Meltrin bei der Entwicklung des Pilzkörpers. Es wurde festgestellt, dass beide Proteine für die axonale Entwicklung der MB-Neurone wichtig sind. Tsunagi reguliert die axonale Wegfindung der α/β-Neurone und könnte zudem für ihre Bifurkation notwendig sein. Ich konnte zeigen, dass Meltrin im MB nicht zellautonom für die Entwicklung der α/β-Neurone benötigt wird, indem es die Verzweigung und/oder die Stabilisierung der Axone reguliert. Die Lokalisierung von Spinophilin (Spn) im zentralen Nervensystem der adulten Fliege konnte ich erfolgreich charakterisieren. Es war in der Lamina- und der Kelchregion des adulten Gehirns stark angereichert. Die Ergebnisse von Knock-down-, Überexpressions- und Kolokalisations-Experimenten deuten stark darauf hin, dass Spn in beiden Hirnregionen zu einem großen Teil postsynaptisch lokalisiert ist. Des Weiteren konnte ich bestätigen, dass das Fehlen von Spn die Fortbewegung beeinträchtigt, was sich in einem gestörten negativen Gravitaxisverhalten äußert. Für die Spn-Mutanten und den pan-neuronalen Knock-down wurden unterschiedliche Defekte in der Fortbewegung beobachtet, was auf kompensatorische Mechanismen im Falle des Protein-Knock-downs hindeutet