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Visuo-motor responses to rotation and translation in freely flying Drosophila melanogaster

Etienne Campione

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie)

Betreuer*in

Andrew Straw

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-17734.23344.638369-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Während ihres Fluges benutzt Drosophila melanogaster visuelle Hinweise zur Stabilisierung und Orientierung. Die beabsichtigte Eigenbewegung, externe Störungen im Bewegungsfluss und bewegte Objekte tragen alle zum dynamischen Leuchtdichtemuster auf der Retina bei. Dieser sogenannte optische Fluss ist ein Panoramasignal, das vom Gehirn verarbeitet werden kann, um letztendlich zum für die Navigation passenden visuomotorischen Verhalten zu führen. Theoretisch kann das globale Muster eines optischen Flusses in Rotations- und Translationskomponenten getrennt werden. Bei kleinen Sichtfeldern lassen sich aber Rotations- und Translationskomponenten nicht immer eindeutig unterscheiden. Zum Beispiel, kann eine links von der linken Retina wahrgenommene Bewegung entweder durch eine Vorwärtstranslation oder durch eine Rechtsdrehung entstehen. Da die Bewegungswahrnehmung bei Fliegen durch lokale Berechnungen im recht gut beschriebenen, retinotopen Bewegungsverarbeitungsnetz entsteht, erwarten wir uns nicht, dass diese Bewegungen auf einer so kleinen Skala unterschieden werden können. Infolgedessen haben wir uns gefragt, ob Rotation und Translation im Gehirn der Drosophila melanogaster unterschieden werden. Erstens: Führen Rotation und Translation zu gleichen oder verschiedenen Verhaltensantworten? Zweitens: Werden diese zwei optischen Flusskomponenten vom selben Neuronennetz analysiert oder existieren spezialisierte Netze für jede der Komponenten? Wir benutzen selbst entworfene Virtual Reality Arenen, in denen die frei fliegenden Fliegen in einem geschlossenen Regelkreis mit dem Stimulus sind. Die Position der Fliege wird von Kameras verfolgt und benutzt, um ein genau definiertes, an die Position der Fliege angepasstes Punktemuster (“Sternenfeld”) als Stimulus anzuzeigen. Indem wir diesem Sternenfeld eine Rotations- oder Translationsbewegung hinzufügen, können wir die visuomotorische Reaktion der Fliegen beobachten und vergleichsweise analysieren. Unter anderem beobachten wir, dass Drosophila melanogaster weniger Sakkaden (abrupte Wenden) bei einem Rotationstimulus als bei einem Translations- oder Kontrollstimulus macht. Dies ist ein erster Hinweis auf die Verwendung unterschiedlicher Neuronennetze. Wir führen eine genetische Analyse durch, bei der wir visuelle Neuronenkandidaten blockieren. Interessanterweise haben wir Neuronen gefunden, die an der Verarbeitung nur einer der beiden optischen Flusskomponenten beteiligt sind, oder an beiden, aber auf unterschiedliche Weise. Die Blockade anderer Neuronen, zum Beispiel der T4/T5 Neuronen, führte zu einer Senkung der visuomotorischen Antwort für Rotation und Translation. Unsere Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Elemente für die Verarbeitung von Rotation und Translation existieren. Während dieser Untersuchung beobachten wir auch einen feinen Unterschied in der visuomotorischen Antwort der Drosophila melanogaster, wenn dem Stimulus eine Rückkopplungsschleife hinzugefügt wird: ein Bahnregler verbessert die Verhaltensantwort.

Abstract

(Englisch)

When flying, Drosophila melanogaster relies strongly on visual cues for both stabilization and guidance. Voluntary self-motion and involuntary perturbations, together with visible objects, contribute to the dynamic pattern of luminance on the retina. This so-called optic flow is a panoramic visual signal that may be processed by the brain and, ultimately, leads to correct visuo-motor behaviors for proper navigation. Theoretically, the global pattern of optic flow can be decomposed into rotational and translational components. But for small fields of view, each motion type can also present similar, and thus ambiguous, motion patterns. For example, leftward motion in the left retina could arise from either forward translation or rightward yaw. Given that motion perception in flies arises from local computations in the relatively well-characterized, retinotopic motion processing circuitry, these motion types would not be expected to be discriminated at this level. We therefore asked if rotation and translation are distinguished in the brain of Drosophila melanogaster. First, do rotation and translation lead to similar or different behavioral outputs? Second, are these two types of optic flow analyzed by the same circuitry or do dedicated pathways exist? We use custom designed virtual reality arenas in which the flies, freely flying, are in closed-loop with the stimulus: the position of the fly, tracked by cameras, is used to display and adjust a precisely defined stimulus consisting of a cloud of dots (“star field”). The application of a rotational or translational optic flow to this star field enables us to observe and analyze the visuo-motor response of the flies in a comparative manner. Among other observations, we see that Drosophila melanogaster makes fewer saccades (abrupt turns) during rotation than during translation or a control condition, which is a first suggestion for different pathways. With genetic tools, we perform a behavioral screen by blocking candidate visual neurons. Interestingly, we find neurons being involved in only one of the two optic flow components processing, or both of them but differentially. Blocking some other neurons – the T4/T5 neurons for example – leads to a decrease of the visuo-motor response performance to both rotation and translation. Our results therefore show the existence of different elements for the processing of rotation or translation. During this study, we also observe a subtle difference in the visuo-motor response of Drosophila melanogaster when an additional feedback loop is present: a path controller feedback increases the behavioral performance.

Autor*innen

Etienne Campione

Haupttitel (Englisch)

Visuo-motor responses to rotation and translation in freely flying Drosophila melanogaster

Paralleltitel (Deutsch)

Visuomotorische Antworten auf Rotation und Translation bei freifliegenden Drosophila melanogaster

Publikationsjahr

2018

Umfangsangabe

134 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Eric Warrant ,

Maximilian Jösch

Klassifikationen

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.20 Genetik ,

42 Biologie > 42.66 Ethologie ,

42 Biologie > 42.75 Insecta ,

54 Informatik > 54.89 Angewandte Informatik: Sonstiges

AC Nummer

AC15029616

Utheses ID

45512

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 490 |

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