The role of dopaminergic neurons in aversive learningin honeybees apis mellifera

• Auteur / Autrice : Stevanus Rio Tedjakumala
• Direction : Martin Giurfa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Récepteurs dopaminergiques

Comportement animal

Abeille domestique

Mots clés libres

Apprentissage

Mémoire

Conditionnement

Abeille

Reflex d'Extension du Dart (RED)

Dopamine

Résumé

Dans un apprentissage Pavlovien les animaux apprennent à associer un stimulus conditionné (SC) à un stimulus inconditionné (SI). L'abeille Apis mellifera est un modèle bien établi pour étudier cette forme d'apprentissage. Dans un nouveau protocole Pavlovien, les abeilles associent une substance odorante (SC) à un choc électrique (SI) et la réponse conditionnée produite à l'odorant appris est le reflexe d'extension du dard (RED). Cet apprentissage aversif dépend de l'amine biogène dopamine (DA) qui assure la médiation des propriétés de renforcement du choc électrique. Nous avons combiné plusieurs approches pour caractériser les circuits DA et leur signalisation dans le cerveau de l'abeille. Tout d'abord, nous avons étudié la réponse innée aversive et ses substrats en quantifiant le RED à une série de chocs de tension croissante et en injectant des antagonistes de neurotransmetteurs dans le cerveau. Nous avons trouvé que la DA et la sérotonine régulent negativement RED et le blocage de ces amines augmente la réponse. Nous avons fourni la première preuve de l'implication de ces amines biogènes dans le contrôle central de la réponse aux stimuli nocifs. Nos résultats proposent que différentes classes de neurones DA existent dans le cerveau de l'abeille: une classe '' instructive '' qui code pour l'aversion des stimuli conditionnés dans l'apprentissage associatif et une classe de '' commande générale '' qui diminue la réponse de la perception des stimuli nocifs. Ensuite, nous avons caractérisé la neuroanatomie des neurones DA dans le cerveau de l'abeille. Nous avons pratiqué l'immunocytochimie en appliquant un anticorps dirigé contre la tyrosine hydroxylase, un précurseur de la DA, et la microscopie confocale pour reconstruire les neurones DA en 3D. Nos résultats ont confirmé des données antérieures montrant de l'innervation dense dans un neuropile d'ordre supérieur, le corps pedonculés (MB) étant fortement innervé par 3 grands groupes de neurones DA. Des processus DA étaient également trouvés dans les lobes protocerebraux et les lobes antennaires. Ces neurones sont connectés au circuit olfactif à différentes étapes et constituent la base neuronale pour l'étiquetage DA de différentes formes de signalisation olfactive. Nous avons également trouvé la première preuve de l'existence de prolongements DA dans le lobe optique et identifié leur nouveau groupe DA. Enfin, nous avons étudié les mécanismes moléculaires qui sous-tendent la réponse aversive et l'apprentissage associatif en evaluant si l'apprentissage aversif induit des variations dans le niveau d'expression des gènes des récepteurs spécifiques ce qui modifie la sensibilité d'aversion aux stimuli aversifs. Nous avons quantifié le RED aux chocs avant un conditionnement et trois jours après le conditionnement, après la mesure de la mémoire d'aversion à long terme. Nous avons trouvé que l'apprentissage olfactif aversif induit une diminution à long terme de la réponse au choc. En utilisant la microdissection au laser, nous avons collecté des populations particulières de cellules de Kenyon puis mesuré les changements à long terme dans l'expression du récepteur du gène. Nous avons trouvé que l'apprentissage aversif seulement favorise une augmentation spécifique à long terme de l'expression des gènes du récepteur dopaminergique Amdop2 et partiellement d'Amdop1. Cette variation est corrélée avec la diminution à long terme de la réponse au choc résultant de l'apprentissage. Nos résultats proposent que les changements moléculaires spécifiques de l'expression du récepteur DA induisent une diminution de la réponse comportementale ce qui pourrait constituer une perte de l'''effet de surprise'' résultant du conditionnement. Nos études couvrant les niveaux comportementale, pharmacologiques, neuroanatomiques et moléculaire, afin de fournir une nouvelle vision intégrée de la signalisation DA dans le cerveau de l'abeille c. à. D. De la représentation neural du SI aversif dans un cerveau d'insecte.

In Pavlovian learning animals learn to associate a conditioned stimulus (CS) and an unconditioned stimulus (US). The honey bee Apis mellifera is a well-established model for the study of this learning form. In a novel Pavlovian protocol, bees associate an odorant (CS) with an electric shock (US) and the conditioned response produced to the learned odorant is the sting extension response. This aversive learning depends on the biogenic amine dopamine (DA), which mediates the reinforcing properties of the electric shock. Yet, the neural mechanisms and architecture underlying aversive US perception remain largely unknown. We combined behavioural, pharmacological, neuroanatomical and molecular approaches to characterize dopaminergic circuits and signalling in the bee brain. Firstly, we studied innate aversive responsiveness and its neurotransmitter basis by quantifying the sting extension reflex (SER) to a series of increasing voltages and injecting into the brain pharmacological antagonists of candidate neurotransmitters. We found that DA and serotonin act as down-regulators of SER so that blockade of these amines increased US responsiveness. We thus provided the first evidence of the involvement of these biogenic amines in the central control of sting responsiveness to noxious stimuli. Our results suggested that different classes of dopaminergic neurons exist in the bee brain: an instructive class mediating aversive conditioned stimuli in associative learning and a global gain-control class regulating responsiveness to noxious stimuli. Secondly, we characterized the neuroanatomy of DA neurons in the bee brain. We performed immunocytochemistry using an antibody against tyrosine hydroxylase, a DA precursor, and fluorescence confocal microscopy to obtain a 3D reconstruction of DA neurons. Our results confirmed prior reports showing dense innervations in the higher-order neuropil, the mushroom body (MB), which is heavily innervated by 3 relatively big clusters of DA neurons surrounding it. Smaller DA processes were also found in the protocerebral and antennal lobes. These DA neurons contact the olfactory circuit at different stages and provide the neural basis for DA involvement in olfactory signalling. We also provided the first evidence of previously unknown DA processes in the optic lobes and identified a novel DA cluster at the origin of these processes, which may provide instructive aversive signals for visual cues. Thirdly, we studied the molecular mechanisms underlying aversive responsiveness and associative learning to analyze whether aversive learning induces variations in the expression of specific receptor genes, thereby changing the responsiveness to punishment. We quantified the SER to shocks before a differential aversive conditioning and 3 days after conditioning, after measuring the presence of aversive long-term memory. We found that aversive olfactory learning induces a long-term decrease in shock responsiveness for shocks that were lower than the US. Using laser-capture micro dissection, we collected specific populations of MB's Kenyon cells and measured long-term changes in receptor-gene expression induced by aversive learning/retrieval. We found that aversive learning (but not retrieval) promotes a specific long-term increase in the expression of the dopaminergic receptor genes Amdop2 and partially Amdop1. This variation correlates with the long-term decrease in shock sensitivity resulting from learning. Our results suggest that specific molecular changes - here dopaminergic receptor expression - mediate a decrease in behavioural responsiveness to reinforcing stimuli that lose their 'surprising effect' as a consequence of conditioning. Our studies span a broad spectrum spanning from behavioural to molecular analyses and provide a novel, integrative view of dopaminergic signalling in the bee brain. They yield new insights into the neural/molecular representation of aversive US in an insect brain.