Neuronale Korrelate der Aggression in Drosophila melanogaster

Aggression ist ein facettenreiches Phänomen, das sowohl in Vertebraten als auch in Invertebraten auftritt. Trotz der weiten Verbreitung dieses Verhaltens sind die neuronalen Netzwerke, die der Aggression zugrunde liegen, noch kaum bekannt. Zahlreiche Studien weisen den biogenen Aminen eine prominente Rolle in der Modulation von Aggression zu. Das Ziel dieser Doktorarbeit war mit Hilfe des Modellorganismus Drosophila melanogaster zu der Aufschlüsselung der neuronalen Korrelate von Aggression beizutragen, insbesondere im Hinblick auf das biogene Amin Oktopamin. In Drosophila sind aggressive Interaktionen aus einer Vielzahl von offensiven und defensiven Verhaltensweisen zusammengesetzt, von denen einige bezüglich der Häufigkeit ihres Auftretens geschlechtsspezifisch sind. Um die Auswertung dieser vielseitigen Verhaltensweisen zu vereinfachen, wurde die Analyse auf einen einzigen Indikator für Aggression beschränkt: den „lunge“. Diese bemerkenswerte Verhaltensweise tritt nur im Kontext der Aggression auf und ist charakteristisch für Männchen. In Kooperation mit Andreas Eckart habe ich ein Computerprogramm entwickelt, das eine automatische Auszählung der lunges in einem vom Forscher gewählten Zeitraum durchführt. Zusätzlich erhält man u.a. Informationen über die Laufstrecke der einzelnen Tiere wie auch über ihre Größe. Dank eines weiteren von uns entwickelten Programms ist es möglich, Kämpfe zweier Drosophila Männchen unabhängig von deren Genotyp wahlweise automatisch oder halb-automatisch auszuwerten. Mit Hilfe dieser Programme wurde gezeigt, dass (1) die gemeinsame Laufaktivität der beiden Männchen mit der Anzahl aller aufgetretenen lunges korreliert und, dass (2) ein Größenunterschied von 8% ausreichend ist, um zu beeinflussen, welches Tier mehr lunges durchführt. Ebenfalls konnte festgestellt werden, dass (3) eine Nullmutation im ‚white’ Gen, welches einen ABC-Transporter kodiert, aggressives Verhalten fast vollständig unterdrückt, was teilweise auf eine visuelle Beeinträchtigung zurückzuführen ist. Außerdem führt (4) das Absenken des White-Levels in verschiedenen Bereichen des Zentralgehirns zu reduzierter Aggression; ein Effekt, der auch durch die chemische Entfernung der Pilzkörper, einer Struktur des zentralen Gehirns, hervorgerufen werden kann. Dies weist darauf hin, dass die Integrität verschiedener neuronaler Netzwerke/Gehirnbereiche erforderlich ist, um wildtypische Aggression zu ermöglichen. Zusätzlich konnte (5) anhand von Mutationen in zwei Genen der Oktopaminsynthese, die beide die Oktopamin-Konzentration zwar erniedrigen, die Tyramin-Konzentration jedoch heben bzw. senken, demonstriert werden, dass Oktopaminmangel Aggression fast vollständig zum Erliegen bringt. Wird ein lunge durchgeführt, so ist dessen Ausführung fast wildtypisch. Rettungsversuche, in denen Oktopamin- und/oder Tyramin-Konzentrationen wiederhergestellt werden, legen nahe, dass ein sehr spezifisches Muster von Oktopamin räumlich und zeitlich gewährleistet sein muss, um ein so komplexes und faszinierendes Verhalten wie die Aggression in Drosophila hervorzurufen.Aggression is a strikingly multi-faceted phenomenon occurring in vertebrates as well as in invertebrates. Despite its omnipresence, the neuronal basis of aggressive behaviours is yet barely understood. Many studies however, imply a role for biogenic amines in aggression. This PhD project aimed at contributing to the understanding of the neuronal correlates of aggression, with a main focus on the biogenic amine octopamine, using Drosophila melanogaster as the model system. In Drosophila, agonistic encounters of males and females are composed of a variety of both offensive and defensive components, some of which are displayed more often in one sex than in the other. To simplify analysis and to standardize evaluation, I chose to focus on a single indicator of aggression: the lunge, a striking feature unique to Drosophila male aggression. By evaluating the lunge I developed in cooperation with Andreas Eckart for the first time an automated, video-based analysis of Drosophila male aggression. The present software program gives the number of lunges for each fly in a certain time interval. In addition, it provides information such as the distance the fly walked and his size among others. In combination with a second software program that we developed, aggressive interactions between two male Drosophila melanogaster of a genotype of choice can now be registered either completely automatically or if preferred semi-automatically. Using these softwares, I demonstrate that (1) body size differences of 8% and higher influence the outcome of a fight in favour of the larger male; (2) walking activity alters lunge frequency with more lunges performed by more active pairs of males; (3) flies mutant for the white gene, one member of the ABC transporter family in Drosophila, are profoundly impaired in aggression, an effect that is partially due to reduced visual performance. (4) Either knocking-down white in various brain regions or chemically ablating the mushroom body located in the central brain by deleting its neuroblast precursors diminishes aggression, indicating that integrity of various neural circuits/brain regions is required for wild-type aggression to occur. Furthermore, I show that (5) flies lacking octopamine signalling but having altered tyramine signalling display hardly any lunge. A quantitative high-speed analysis revealed that lunge execution is almost indistinguishable from wild-type males. The results from the experiments in which octopamine levels and/or tyramine levels were restored suggest that an elaborate pattern of octopamine levels in time and space is required to enable flies to express wild-type aggressive behaviour