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The role of asymmetric motion responses in Drosophila object tracking

Pöhlmann, Andreas Jörg (2017) The role of asymmetric motion responses in Drosophila object tracking.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Lebenswissenschaften
BetreuerIn: Straw, Andrew
Gesperrt bis: 17 July 2019

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-13166.86451.860054-8

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Abstract in English

Understanding how behavior is generated on a neuronal level is a main goal of neuroscience. The complexity of the internal mechanisms governing neuronal computation lead the field to investigate complex behaviors of very simple model organisms with the goal of discovering common concepts. Indeed many biological commonalties are shared across species, with the work presented here having a focus on visual computation. This thesis, consisting of three manuscripts, aims to contribute to the advancement of the field. In the first publication we present a novel method for thermogenetically modulating neuronal activity in freely walking Drosophila on sub-second timescales, called FlyMAD (the Fly Mind Altering Device). FlyMAD enhances current state-of-the-art thermogenetic methods, which lack temporal resolution, by using computer-vision based real-time systems to aim an infrared laser on a moving and behaving fly. Targeted heating enables us to increase the flies' internal temperature in fractions of the time current convection heating setups take. We test this capability by rapidly silencing and activating locomotion neurons. The fact that the visual system of Drosophila cannot detect infrared wavelengths, allows FlyMAD to be used orthogonally to visual stimulation, which we demonstrate by modulating neuronal activity in visual system neurons. The high spatial resolution even allows us to heat specific body parts of the fly preferentially, which we use to reveal timing relations of two well known neuron types involved in the generation of the courtship song. The second publication investigates how motion-computation based visual system models with asymmetric motion responses can mediate object fixation in tethered flight. We demonstrate that flies with synaptically silenced motion-sensitive T4/T5 cells are unable to fixate small field objects under specific experimental conditions including figure-ground discrimination tasks. Additionally we show, that asymmetric motion visual system models based on properties of motion-sensitive neurons downstream of T4/T5 are sufficient to explain object tracking behavior under these conditions. We provide an analytical and numerical model that both use the asymmetry in the motion response towards progressive and regressive motion to derive small field object tracking behavior. The theoretical predictions together with the synaptic silencing experimental results suggest that object responses in Drosophila tethered flight can be mediated by a T4/T5 independent object system, as well as a T4/T5 dependent asymmetric motion system. In the follow-up manuscript (unpublished) we continue to investigate T4/T5 mediated object tracking responses. We measure the dynamics of T4/T5-independent object tracking behavior in tethered flight, which allows us to estimate the transfer function of T4/T5 mediated object tracking. The estimated transfer function is in good agreement with that of an asymmetric motion based visual system model, indicating that indeed short timescale object tracking during flight is mediated by T4/T5 neurons. Additionally we show that many existing object tracking experiments under open and closed loop experimental conditions can be explained by the object responses calculated from our visual system model. These simulation results are in remarkable agreement with previously published experimental data, even for some experiments that have been argued to require motion-computation independent object tracking circuitry.

Schlagwörter in Englisch

asymmetric motion responses / Drosophila / object tracking

Abstract in German

Zu verstehen, wie Verhalten auf neuronaler Ebene generiert wird, ist ein Hauptziel der Neurowissenschaften. Die hohe Komplexität der internen Mechanismen, die neuronale Berechnungen steuern, bewegt Forscher dazu, komplexe Verhaltensweisen von sehr einfachen Modellorganismen zu untersuchen, mit dem Ziel gemeinsame Konzepte aufzudecken. In der Tat teilen verschiedene Spezies, viele biologische Gemeinsamkeiten, wobei die hier vorgestellte Doktorarbeit ihren Fokus auf die Untersuchung des visuellen Systems legt. Diese Doktorarbeit, setzt sich aus drei Manuskripten zusammen, und versucht einen kleinen Beitrag zur Weiterentwicklung des Forschungsfeldes zu leisten. In der ersten Publikation wird ein neuartiges Verfahren, genannt FlyMAD (Fly Mind Altering Device), zur thermogenetischen Modulation neuronaler Aktivität präsentiert, welches in frei bewegenden Drosophila auf subsekunden Zeitskalen angewendet werden kann. FlyMAD verbessert derzeitige thermogenetische Methoden, die relativ niedrige zeitliche Auflösung aufweisen, indem computergesteuerte Echtzeit-Systeme dazu verwendet werden, um einen Infrarot-Laser auf sich bewegende und uneingeschränkt verhaltende Fliegen zu zielen. Diese gezielte Bestrahlung ermöglicht es, die interne Temperatur der Fliege in Bruchteilen der Zeit zu erhöhen, die derzeitige Konvektionsaufbauten benötigen. Demonstriert wird dies, durch schnelles Inhibieren und Aktivieren von Neuronen die in der Fortbewegung involviert sind. Da das visuelle System von Drosophila infrarot Wellenlängen nicht detektieren kann, ermöglicht es FlyMAD neuronale Modulation orthogonal zu visueller Stimulation zu verwenden, was experimentell nachgewiesen wird. Die hohe räumliche Auflösung erlaubt es, bestimmte Körperteile der Fliege bevorzugt aufzuwärmen. Dies wird genutzt, um die genaue Zeitabhängigkeit zweier bekannter Neuronentypen bei der Erzeugung des Balz Liedes zu untersuchen. Die zweite Publikation untersucht, wie rein bewegungsbasierte Modelle des visuellen Systems, die eine Asymmetrie in ihren Übertragungseigenschaften aufweisen, Objekt-Fixation erklären können. Wir zeigen, dass Fliegen, deren bewegungsempfindliche T4/T5-Zellen synaptisch stummgeschalten wurden, nicht in der Lage sind, Objekte unter spezifischen experimentellen Bedingungen zu fixieren. Dies schliesst auch Objekt-Fixations-Verhalten ein, welches Figur-Grund-Wahrnehmung erfordert. Darüber hinaus zeigen wir, dass Modelle des visuellen Systems mit asymmetrischen Bewegungs-Übertragungseigenschaften, die auf wenigen Parametern von bewegungsempfindlichen Neuronen postsynaptisch von T4/T5 basieren, Objekt-Fixation unter diesen Bedingungen vorhersagen. Wir stellen ein analytisches und ein numerisches Modell vor, welche beide die Herleitung von Objekt-Fixations-Verhalten aus der Asymmetrie in der Bewegungsantwort auf progressive und regressive Bewegung erlauben. Die theoretischen Vorhersagen zusammen mit den experimentellen Ergebnissen deuten darauf hin, dass Drosophila Objekt-Fixation unter eindimensional restriktierten Bedingungen durch ein T4/T5-unabhängiges Objekt-Detektions-System sowie ein T4/T5-abhängiges asymmetrisches Bewegungs-Detektions-System vermittelt werden können. Im Nachfolge-Manuskript (unveröffentlicht) setzen wir die Untersuchung T4/T5-vermittelten Objekt-Fixations-Verhaltens fort. Um dies zu erreichen, messen wir die Übertragungseigenschaften des T4/T5-unabhängigen Objekt-Fixations-Verhaltens unter restrikierten Flug Bedingungen. Dies ermöglicht es, die Übertragungsfunktion T4/T5-basierter Objekt-Fixation zu approximieren. Wir zeigen, dass diese Approximation gut mit der berechneten Übertragungsfunktion eines asymmetrischen bewegungsbasierten visuellen Systemmodells übereinstimmt. Dies deutet darauf hin, dass Objekt-Fixation auf kurzen Zeitskalen während des Fluges durch T4/T5-Neuronen vermittelt wird. Darüber hinaus zeigen wir, dass viele bestehende Objekt-Fixations-Experimente mit und ohne Verhaltensrückkopplung, durch die vorgestellten Modelle vorhergesagt werden können. Die Simulationsergebnisse weisen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit veröffentlichten experimentellen Daten auf. Dies trifft sogar für einige Experimente zu, deren Ergebnisse verwendet wurden, um zu argumentieren, dass das beobachtete Verhalten Bewegungsberechnungs-unabhängige Objekt-Detektions-Systeme erfordert.

Schlagwörter in Deutsch

Asymmetrische Bewegungswahrnehmung / Drosophila / Objekt-Fixation

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Pöhlmann, Andreas Jörg
Title: The role of asymmetric motion responses in Drosophila object tracking
Umfangsangabe: 83 Seiten : Illustration, Diagramme
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie)
Publication year: 2017
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Straw, Andrew
Assessor: Clark, Damon
2. Assessor: Maimon, Gaby
Classification: 42 Biologie > 42.10 Theoretische Biologie
42 Biologie > 42.63 Tierphysiologie
AC Number: AC13763650
Item ID: 48007
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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