Publikation: Odor representations in Drosophila receptor neurons analyzed by in vivo calcium imaging
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Zusammenfassung
Animals use olfactory receptor neurons (ORNs) to detect odors and to get a representation of the olfactory environment around them. Many of these odors convey important information for an animals daily life and thus it is essential to reliably detect them. The olfactory environment consists of myriads of different chemicals that appear in different compositions and concentrations, yet olfactory systems of varying complexity are able extract the relevant information from it. How olfactory systems are able to encode a vast number of odors with a much smaller number of ORN types is one big question in olfactory research. A given ORN is usually activated not only by one, but by many odors. The response profile of an ORN is defined by one or a few odorant receptors (OR) it expresses. The response profiles of ORNs overlap. Thus, when stimulated with an odor usually a set of ORNs gets activated creating an odor specific ensemble response.
One way to better understand how this ensemble coding works is to characterize the response profiles of individual ORNs in great detail. The ideal case would be to know the complete response profiles of all ORNs of an olfactory system and by this have access to the complete ensemble responses any odor would elicit. This knowledge about the responses produced by all possible odor–ORN combinations is the so called “complete olfactome” of a species. Of all species used in olfactory research, the best known olfactome is that of Drosophila melanogaster. In order to combine the information on the Drosophila olfactome that is scattered across different publications and not easily comparable as different studies use different recording approaches, we created the DoOR database described in Chapter 1. With DoOR it is possible to integrate all the heterogeneous response data available into one consensus model response that can then be used for further analysis or visualized in various ways. The DoOR web interface provides an easy access to the Drosophila olfactome e.g. as tool for designing physiological or behavioral experiments. In addition, the complete database including the model response as well as the raw data and all the functions is freely available and may be a useful source for computational approaches investigating olfactory coding.
The Drosophila olfactome is the completest existing olfactome but it still has many gaps. In Chapter 2 we characterized the response profiles of eight ORNs. One of the ORNs investigated in this Chapter was completely uncharacterized before, here we describe a response profile consisting of 106 odor responses. Another one was published as being responsive to a single odorant alone, we found that many other odorants also elicit distinguished odor responses from these neurons. For six other ORNs we extended previously existing response profiles.
The ensemble activation is only one dimension of the olfactory code. Information about odor identity are also encoded in the temporal dynamics of ORNs responses. In Chapter 3 we therefore investigated the response dynamics elicited by the > 800 odorant–ORN combinations from Chapter 2 in detail. We found that response dynamics were odorant–ORN combination specific and varied largely between odorant–ORN pairs. We analyzed several features of the response dynamics and found them to be differential distributed across ORNs. We found one feature of response dynamics to be stable across concentrations, thus it could contribute to concentration invariant odor coding. We show that odor information is still present in the ORN ensemble response after stimulus offset, mainly due to some odorant–ORN combinations that lead to especially strong and long lasting responses.
While Chapters 1–3 deal with ORN responses towards monomolecular odorants, we investigated responses towards mixtures in Chapters 4 and 5. Almost all natural odors occur as mixtures. Each component of a mixture usually elicits a response pattern across ORNs and when appearing together these responses might overlap and lead to mixture interactions. In Chapter 4 we created a complex mixture of 15 components in different concentrations related to banana scent. In this mixture we found one substance, isopentyl acetate, to dominate the mixture responses elicited in Or22a ORNs. Isopentyl acetate suppressed the responses of stronger, less concentrated and weaker, higher concentrated ligands in the mixture, leading to hypoadditive mixture interactions. Further analysis revealed that the mechanism of syntopic interaction (i.e. the competition of ligands for a common receptor binding site) fully accounted for the effects we found. We discuss that syntopic interaction could account for a majority of suppressive mixture interactions found in the periphery of olfactory systems and that it might play a role in gain control and concentration invariant coding.
In Chaper 5 we expanded the mixture experiments to more mixture and ORNs. We found that strong mixture interactions, like suppression and synergism were rare, most of the 20 mixtures elicited additive or hypoadditive reponses from the five ORNs tested. With a principal component analysis we calculated trajectories of ORN ensemble responses to mixtures and their components in a five-dimensional receptor space. We found that many mixture trajectories were dominated by one component, others covered distinct areas of receptor space. We discuss that these differences in physiological odor similarities might be a neural correlate of differences in perceived odor similarities.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Tiere nutzen olfaktorische Rezeptorneurone um Düfte zu detektieren und um eine Repräsentation ihrer olfaktorischen Umgebung zu bekommen. Viele dieser Duftsignale beinhalte wichtige Informationen für das tägliche Leben eines Tieres und daher ist es essentiell sie zuverlässig zu erfassen. Die Duftwelt besteht aus unzähligen Chemikalien, die in unterschiedlicher Zusammensetzung und Konzentration auftreten. Dennoch schaffen es olfaktorische Systeme von unterschiedlicher Komplexität die relevanten Informationen zu extrahieren. Wie es olfaktorische Systeme schaffen eine riesige Anzahl von Düften mit einer weitaus geringeren Anzahl von unterschiedlichen Rezeptorneuronen zu kodieren ist eine der großen Fragen der Riechforschung. Ein Rezeptorneuron kann üblicherweise nicht nur von einem einzigen Duft, sondern von vielen verschiedenen aktiviert werden. Das Antwortspektrum eines Rezeptorneurons wird durch einen oder wenige Duftrezeptoren festgelegt, die es exprimiert. Die Antwortspektren verschiedener Rezeptorneurone überlappen, so dass bei der Stimulation mit einem Duft üblicherweise ein Satz an Rezeptorneuronen aktiviert wird, wodurch eine duftspezifische Ensemble-Aktivität entsteht.
Ein Weg zum besseren Verständnis der Duftkodierung durch EnsembleAktivität besteht darin, die spezifischen Antwortspektren sehr detailliert zu charakterisieren. Im Idealfall sind die Antwortspektren aller Rezeptorneurone eines olfaktorischen Systems bekannt und man hat somit Zugang zu den Ensemble-Aktivitäten die jeder Duft auslöst. Diese Gesamtheit aller Duft–Rezeptorneuron Kombinationen nennt man auch das komplette “Olfaktom” einer Spezies. Von allen Spezies die in der Riechforschung untersucht werden, ist das Olfaktom der Fruchtfliege Drosophila melanogaster bisher am besten bekannt.
Das bestehende Wissen über das Olfaktom von Drosophila ist über viele Publikationen verteilt und die Daten der verschiedenen Studien sind aufgrund unterschiedlicher Messmethoden nicht einfach zu vergleichen. Um dieses Problem zu lösen, haben wir die DoOR Datenbank erstellt die in Kapitel 1 beschrieben ist. Mit Hilfe von DoOR ist es möglich all die verfügbaren, heterogenen Rezeptorneuron Daten in einem Konsensmodell zu vereinen welches für weitere Analysen genutzt und auf verschiedene Arten visualisiert werden kann.
Das DoOR Webinterface ermöglicht einen einfachen Zugang zum Drosophila Olfaktom und kann beispielsweise für die Planung von physiologischen- oder Verhaltensexperimenten genutzt werden. Zusätzlich ist die komplette Datenbank, inklusive des Konsensmodells, aller Rohdaten, sowie aller Funktionen, frei verfügbar und kann somit eine hilfreiche Quelle für neuro-informatische Untersuchungen des olfaktorischen Codes sein.
Das Drosophila Olfaktom ist das am besten untersuchte Olfaktom, dennoch ist es noch nicht vollständig bekannt. In Kapitel 2 haben wir daher die Antwortspektren von acht Rezeptorneuron-Typen charakterisiert. Eines dieser Rezeptoneurone war zuvor komplett uncharakterisiert, wir beschreiben hier ein Antwortspektrum bestehend aus 106 Düften. Von einem weiteren Typ von Rezeptorneuron war bisher bekannt, dass es nur auf einen einzigen Duft reagiert, wir haben herausgefunden, dass auch viele andere Düfte differenzierte Aktivitäten auslösen können. Für sechs weiter Typen von Rezeptorneuronen haben wir die bekannten Antwortspektren um eine Vielzahl an Düften erweitert.
Die Ensemble-Aktivität ist nur eine Dimension des olfaktorischen Codes. Information über Duftidentität ist auch in den zeitlichen Dynamiken der Duftantworten enthalten.
In Kapitel 3 haben wir daher die Antwort-Dynamiken der > 800 Duft–Rezeptorneuron Kombinationen aus Kapitel 2 im Detail untersucht. Wir haben herausgefunden, dass die Antwort-Dynamiken Duft–Rezeptorneuron spezifisch waren und sich zwischen Duft–Rezeptorneuron Kombinationen stark unterschieden. Wir haben mehrere Merkmale der Antwort-Dynamiken untersucht und festgestellt, dass diese differenziell über die Rezeptorneurone verteilt waren. Ein Merkmal war zudem über einen Bereich von Duftkonzentrationen hinweg stabil und könnte somit an der konzentrationsunabhängigen Kodierung beteiligt sein. Wir konnten zeigen, das Duftinformation im Rezeptorneuron Ensemble auch nach Beendigung der Stimulation noch vorhanden ist. Dies beruhte unter anderem auf Duft–Rezeptorneuron Kombinationen die zu besonders starken und langanhaltenden Duftantworten führten.
Während Kapitel 1–3 von Duftanworten auf monomolekulare Düfte handeln haben wir in den Kapiteln 4 und 5 Duftmischungen untersucht. Fast alle natürlich vorkommenden Düfte bestehen aus Mischungen mehrerer Moleküle. Da jede Komponente einer solchen Mischung eine Ensemble-Aktivität verschiedener Rezeptorneurone auslösen kann, können diese Ensembles in Mischungen überlappen und zu Mischungsinteraktionen führen.
In Kapitel 4 haben wir eine komplexe Mischung aus 15 Komponenten erstellt, die sich in Konzentration und Zusammensetzung an Bananenduft orientierte. In dieser Mischung fanden wir einen Duft, Isopentyl Acetat, der die Mischungsantwort von Or22a Rezeptorneuronen dominierte. Isopentyl Acetat unterdrückte dabei sowohl stärkere, niedriger konzentrierte, als auch schwächere, höher konzentrierte Komponenten, was zu hypoadditiven Mischungsinteraktionen führte. Weitere Analysen zeigten, dass sich die Effekte, die wir gefunden haben, durch syntopische Interaktion (Kompetition von Liganden um eine Rezeptorbindestelle) erklären ließen. Wir diskutieren, dass syntopische Interaktion für die Mehrheit an suppressiven Interaktionen in der Peripherie von olfaktorischen Systemen verantwortlich sein könnte. Außerdem könnten syntopische Interaktionen eine Rolle bei konzentrationsunabhängiger Kodierung sowie bei gain control spielen.
In Kapitel 5 haben wir die Mischungsexperimente erweitert und mehr Mischungen und Rezeptorneurone untersucht. Starke Mischungsinteraktionen wie Suppression oder Synergismus waren selten, die Mehrzahl von 20 Mischungen führte zu additiven oder hypoadditiven Mischungsantworten in fünf getesteten Rezeptorneuron Typen. Mittels Hauptkomponentenanalyse haben wir Zeit-Trajektorien von Mischungsantworten in einem fünfdimensionalen Rezeptorraum berechnet. Die Hälfte der Mischungs-Trajektorien wurde von jeweils einer Komponente dominiert, während die andere Hälfte der Trajektorien unterschiedliche Bereiche des Rezeptorraumes erfassten. Wir diskutieren, dass diese Unterschiede in physiologischer Duftähnlichkeit ein neuronales Korrelat von Unterschieden in wahrgenommener Duftähnlichkeit sein könnten.
Fachgebiet (DDC)
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ISO 690
MÜNCH, Daniel, 2014. Odor representations in Drosophila receptor neurons analyzed by in vivo calcium imaging [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Many of these odors convey important information for an animals daily life and thus it is essential to reliably detect them. The olfactory environment consists of myriads of different chemicals that appear in different compositions and concentrations, yet olfactory systems of varying complexity are able extract the relevant information from it. How olfactory systems are able to encode a vast number of odors with a much smaller number of ORN types is one big question in olfactory research. A given ORN is usually activated not only by one, but by many odors. The response profile of an ORN is defined by one or a few odorant receptors (OR) it expresses. The response profiles of ORNs overlap. Thus, when stimulated with an odor usually a set of ORNs gets activated creating an odor specific ensemble response.<br /><br /><br />One way to better understand how this ensemble coding works is to characterize the response profiles of individual ORNs in great detail. The ideal case would be to know the complete response profiles of all ORNs of an olfactory system and by this have access to the complete ensemble responses any odor would elicit. This knowledge about the responses produced by all possible odor–ORN combinations is the so called “complete olfactome” of a species. Of all species used in olfactory research, the best known olfactome is that of Drosophila melanogaster. In order to combine the information on the Drosophila olfactome that is scattered across different publications and not easily comparable as different studies use different recording approaches, we created the DoOR database described in Chapter 1. With DoOR it is possible to integrate all the heterogeneous response data available into one consensus model response that can then be used for further analysis or visualized in various ways. The DoOR web interface provides an easy access to the Drosophila olfactome e.g. as tool for designing physiological or behavioral experiments. In addition, the complete database including the model response as well as the raw data and all the functions is freely available and may be a useful source for computational approaches investigating olfactory coding.<br />The Drosophila olfactome is the completest existing olfactome but it still has many gaps. In Chapter 2 we characterized the response profiles of eight ORNs. One of the ORNs investigated in this Chapter was completely uncharacterized before, here we describe a response profile consisting of 106 odor responses. Another one was published as being responsive to a single odorant alone, we found that many other odorants also elicit distinguished odor responses from these neurons. For six other ORNs we extended previously existing response profiles.<br /><br /><br />The ensemble activation is only one dimension of the olfactory code. Information about odor identity are also encoded in the temporal dynamics of ORNs responses. In Chapter 3 we therefore investigated the response dynamics elicited by the > 800 odorant–ORN combinations from Chapter 2 in detail. We found that response dynamics were odorant–ORN combination specific and varied largely between odorant–ORN pairs. We analyzed several features of the response dynamics and found them to be differential distributed across ORNs. We found one feature of response dynamics to be stable across concentrations, thus it could contribute to concentration invariant odor coding. We show that odor information is still present in the ORN ensemble response after stimulus offset, mainly due to some odorant–ORN combinations that lead to especially strong and long lasting responses.<br />While Chapters 1–3 deal with ORN responses towards monomolecular odorants, we investigated responses towards mixtures in Chapters 4 and 5. Almost all natural odors occur as mixtures. Each component of a mixture usually elicits a response pattern across ORNs and when appearing together these responses might overlap and lead to mixture interactions. In Chapter 4 we created a complex mixture of 15 components in different concentrations related to banana scent. In this mixture we found one substance, isopentyl acetate, to dominate the mixture responses elicited in Or22a ORNs. Isopentyl acetate suppressed the responses of stronger, less concentrated and weaker, higher concentrated ligands in the mixture, leading to hypoadditive mixture interactions. Further analysis revealed that the mechanism of syntopic interaction (i.e. the competition of ligands for a common receptor binding site) fully accounted for the effects we found. We discuss that syntopic interaction could account for a majority of suppressive mixture interactions found in the periphery of olfactory systems and that it might play a role in gain control and concentration invariant coding.<br /><br /><br />In Chaper 5 we expanded the mixture experiments to more mixture and ORNs. We found that strong mixture interactions, like suppression and synergism were rare, most of the 20 mixtures elicited additive or hypoadditive reponses from the five ORNs tested. With a principal component analysis we calculated trajectories of ORN ensemble responses to mixtures and their components in a five-dimensional receptor space. We found that many mixture trajectories were dominated by one component, others covered distinct areas of receptor space. 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