Odor coding and memory traces in the antennal lobe of honeybee

Abstract

In dieser Arbeit werden zwei wesentliche neue Ergebnisse vorgestellt. Das erste bezieht sich auf die olfaktorische Kodierung und das zweite auf das sensorische Gedaechtnis. Beide Phaenomene werden am Beispiel des Gehirns der Honigbiene untersucht. In Bezug auf die olfaktorische Kodierung zeige ich, dass die neuronale Dynamik waehrend der Stimulation im Antennallobus duftspezifische Trajektorien beschreibt, die in duftspezifischen Attraktoren enden. Das Zeitinterval, in dem diese Attraktoren erreicht werden, betraegt unabhaengig von der Identitaet und der Konzentration des Duftes ungefaehr 800 ms. Darueber hinaus zeige ich, dass Support-Vektor Maschinen, und insbesondere Perzeptronen, ein realistisches und biologisches Model der Wechselwirkung zwischen dem Antennallobus (dem kodierenden Netwerk) und dem Pilzkoerper (dem dekodierenden Netzwerk) darstellen. Dieses Model kann sowohl Reaktionszeiten von ca. 300 ms als auch die Invarianz der Duftwahrnehmung gegenueber der Duftkonzentration erklaeren. In Bezug auf das sensorische Gedaechtnis zeige ich, dass eine einzige Stimulation ohne Belohnung dem Hebbschen Postulat folgend Veraenderungen der paarweisen Korrelationen zwischen Glomeruli induziert. Ich zeige, dass diese Veranderungen der Korrelationen bei 2/3 der Bienen ausreichen, um den letzten Stimulus zu bestimmen. In der zweiten Minute nach der Stimulation ist eine erfolgreiche Bestimmung des Stimulus nur bei 1/3 der Bienen moeglich. Eine Hauptkomponentenanalyse der spontanen Aktivitaet laesst erkennen, dass das dominante Muster des Netzwerks waehrend der spontanen Aktivitaet nach, aber nicht vor der Stimulation das duftinduzierte Aktivitaetsmuster bei 2/3 der Bienen nachbildet. Man kann deshalb die duftinduzierten (Veraenderungen der) Korrelationen als Spuren eines Kurzzeitgedaechtnisses bzw. als Hebbsche "Reverberationen" betrachtet werden.

Two major novel results are reported in this work. The first concerns olfactory coding and the second concerns sensory memory. Both phenomena are investigated in the brain of the honeybee as a model system. Considering olfactory coding I demonstrate that the neural dynamics in the antennal lobe describe odor-specific trajectories during stimulation that converge to odor-specific attractors. The time interval to reach these attractors is, regardless of odor identity and concentration, approximately 800 ms. I show that support-vector machines and, in particular perceptrons provide a realistic and biological model of the interaction between the antennal lobe (coding network) and the mushroom body (decoding network). This model can also account for reaction-times of about 300 ms and for concentration invariance of odor perception. Regarding sensory memory I show that a single stimulation without reward induces changes of pairwise correlation between glomeruli in a Hebbian-like manner. I demonstrate that those changes of correlation suffice to retrieve the last stimulus presented in 2/3 of the bees studied. Succesful retrieval decays to 1/3 of the bees within the second minute after stimulation. In addition, a principal-component analysis of the spontaneous activity reveals that the dominant pattern of the network during the spontaneous activity after, but not before stimulation, reproduces the odor-induced activity pattern in 2/3 of the bees studied. One can therefore consider the odor-induced (changes of) correlation as traces of a short-term memory or as Hebbian reverberations.