Die Regulation der Hämolymphglucose und ihre Bedeutung für die sensorische Sensitivität sowie das appetitive Lernen und Gedächtnis der Honigbiene (Apis mellifera)

Abstract

Im Zentrum dieser Arbeit steht die Frage nach der Rolle der Hämolymphglucose bei appetitiven Verhaltensanpassungen in der Honigbiene. Dabei wird erstmals ihre Funktion als metabolisches Signal bei Lern- und Gedächtnisprozessen untersucht. In Verhaltensexperimenten zeigte sich eine Korrelation zwischen dem glykämischen Status und der gustatorischen Sensitivität. Dynamische Änderungen des Glucosespiegels infolge der appetitiven Belohnung nahmen zudem maßgeblichen Einfluss auf das Lernen und die Gedächtnisbildung. Dies liefert erstmals Hinweise auf eine Bedeutung der Hämolymphglucose als internes Belohnungssignal. Auf molekularer Ebene wurden die AMP-abhängige Proteinkinase (AMPK) und der Glucosetransporter GLUT1 als Kandidaten identifiziert, die als Regulatoren des Glucosespiegels und Komponenten eines internen Belohnungssystems an Verhaltensmodulationen teilhaben. Die Aktivierung der AMPK erhöhte den Glucosespiegel und führte gleichzeitig zu einer Reduktion der sensorischen Sensitivität sowie zu einem Lern- und Gedächtnisdefizit. Schnelle Änderungen des Glucosespiegels spiegelten sich ferner in einer akuten, fütterungsbezogenen Hochregulation des GLUT1-Proteins im Gehirn wider. Dies legt eine Funktion von GLUT1 bei der Übertragung glucosevermittelter Belohnungssignale auf die neuronale Ebene nahe. Damit wurde erstmals umfassend gezeigt, dass die Hämolymphglucose der Biene individuell reguliert wird und in Abhängigkeit des metabolischen Zustands das appetitive Lernen und Gedächtnis moduliert.

This thesis focuses on the importance of haemolymph glucose levels in modulating appetitive behaviour in honeybees. Its role as a metablic signal in learning and memory processes is investigated for the first time. Behavioural studies revealed a correlation between glycemic state and gustatory sensitivity. Moreover, dynamic changes in glucose levels, caused by appetitive reward, considerably influenced learning and memory formation. This provides first evidence for the relevance of haemolymph glucose levels as an internal reward signal. On the molecular level, AMP-dependent protein kinase (AMPK) and the glucose transporter GLUT1 turned out to be candidates acting as modulators of glycemia and components of an internal reward system which alters behaviour. AMPK activation increased glucose levels and simultaneously caused a reduction of sensory sensitivity as well as learning and memory deficits. An acute, feeding related upregulation of GLUT1 protein in the brain further reflected rapid changes in glucose concentrations. This suggests a role of GLUT1 in conveying reward signals by glucose to the neuronal level. This work represents the first extensive study which proves heamolymph glucose levels to be individually regulated in honeybees and to modulate appetitive learning and memory according to metabolic state.