Modulação da aprendizagem visual por aminas biogênicas e sensibilidade espectral da fototaxia positiva em Apis mellifera

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Resumo

A abelha Apis mellifera tornou-se um modelo tradicional para estudos da percepção e aprendi-zagem visual. A principal metodologia utilizada até o momento nestes estudos é o condiciona-mento apetitivo operante de abelhas em voo, porém esta abordagem dificilmente pode ser com-binada a protocolos invasivos para estudo das bases neurobiológicas subjacentes. Diante disso, esforços vêm sendo feitos para desenvolver novos protocolos de condicionamento visual clássi-co em abelhas imobilizadas no laboratório, porém os níveis de aprendizagem permanecem con-sideravelmente mais fracos do que aqueles obtidos em animais livres. Foi observado que estímu-los luminosos cromáticos são melhor aprendidos por abelhas em condicionamento clássico no laboratório do que estímulos visuais compostos por imagens coloridas que refletem a luz ambi-ente. Porém dois problemas estão associados ao uso de estímulos luminosos cromáticos nestes estudos: 1- as diferenças de intensidade perceptual dos estímulos dificilmente podem ser cali-bradas, não permitindo concluir se as abelhas aprendem a discriminar a intensidade ou a cor dos mesmos; 2- abelhas apresentam uma forte fototaxia positiva à luz, a qual pode influenciar a sali-ência perceptual destes estímulos. O presente trabalho buscou preencher estas lacunas através de um estudo integrativo que avaliou como alguns fatores físicos, neurobiológicos e cognitivos modulam a fototaxia e a aprendizagem visual em abelhas no laboratório. Investigamos inicial-mente a capacidade das abelhas em usar informações visuais adquiridas durante um condicio-namento clássico para discriminar estímulos visuais em um novo contexto operante. Para isso, realizamos um condicionamento clássico diferencial do reflexo de extensão da probóscide, se-guido de testes de orientação operante em um labirinto Y, utilizando o mesmo par de estímulos luminosos. Para evitar a influência da fototaxia neste experimento, foi realizada uma calibração prévia da irradiância do par de estímulos cromáticos até um ponto de isoluminância perceptual. A transferência de discriminação visual do contexto clássico para o operante foi claramente ob-servada, com abelhas orientando-se significativamente mais no labirinto Y em direção ao estí-mulo previamente recompensado. Isso mostra que as memórias visuais adquiridas pelas abelhas são resistentes a mudanças de contexto entre condicionamento e teste de memória. Essa nova abordagem de discriminação visual foi combinada a injeções farmacológicas seletivas para ava-liar o efeito da dopamina e da octopamina na aprendizagem visual apetitiva. Tanto antagonistas dopaminérgicos quanto octopaminérgicos inibiram o desempenho de discriminação, indicando que ambas estas aminas modulam a aprendizagem visual apetitiva em abelhas. Realizamos ain-da um estudo comportamental para avaliar como o comprimento de onda da luz e os fotorrecep-tores presentes nos ocelos e nos olhos compostos influenciam as respostas de fototaxia positiva. Avaliando as trajetórias de abelhas que se guiam no escuro atraídas por luzes monocromáticas de diferentes intensidades, observamos que diferentes comprimentos de onda modulam de for-ma distinta a resposta de fototaxia positiva. Além disso, ficou clara uma participação diferencia-da dos ocelos e dos olhos compostos nesta modulação. Nosso estudo representa uma importante contribuição para a compreensão dos mecanismos neurofisiológicos e cognitivos subjacentes à fototaxia positiva e à aprendizagem visual em abelhas.

Abstract

The honeybee Apis mellifera represents a traditional model for studies of visual perception and learning. Operant appetitive conditioning of free-flying bees has been the main methodology used so far in these studies, but this approach can hardly be combined with invasive protocols for studying underlying neurobiological mechanisms. Therefore, efforts have been made to de-velop new protocols of classical visual conditioning with harnessed bees in the laboratory, but learning performances remain considerably weaker than those obtained in free-flying animals. In a classical conditioning framework, chromatic luminous stimuli are better learned by har-nessed bees in the laboratory than visual stimuli composed of colored images that reflect the environmental light. However, two problems are associated with the use of chromatic luminous stimuli in these studies: 1- differences in perceptual intensity of the stimuli can hardly be cali-brated, impeding conclusions about whether bees learn to discriminate the intensity or the color of the stimuli; 2-bees present a strong positive phototaxis to light, which may influence the per-ceptual salience of these stimuli. The present work aimed to fill these gaps through an integra-tive study that analyzed how some physical, neurobiological and cognitive factors modulate visual learning and phototaxis in bees. We first investigated the ability of bees to use visual in-formation acquired during classical conditioning to discriminate visual stimuli in a new operant context. For this purpose, we performed classical differential conditioning of the proboscis ex-tension reflex, followed by operant orientation tests in a Y-maze, using the same pair of lumi-nous stimuli. In order to avoid the influence of phototaxis in this experiment, we performed a previous calibration of the irradiance of the chromatic-stimuli pair to a point of perceptual isoluminance. Visual discrimination transfer was clearly observed, with pre-trained honeybees significantly orienting their flights towards the former rewarded stimulus. We thus show that visual memories acquired by honeybees are resistant to context changes between conditioning and the retention test. We combined this visual discrimination approach with selective pharma-cological injections to evaluate the effect of dopamine and octopamine in appetitive visual learn-ing. Both octopaminergic and dopaminergic antagonists impaired visual discrimination perfor-mance, suggesting that both these biogenic amines modulate appetitive visual learning in hon-eybees. We also performed a behavioral study to evaluate how light wavelength and the photo-receptors present in the ocelli or the compound eyes influence the positive phototactic responses of bees. By evaluating the trajectories of bees that are guided in the dark by monochromatic lights of different intensities, we observed that distinct wavelengths differently modulate the phototactic response. In addition, different contributions of the ocelli and the compound eyes for this modulation were found. Our study brings an important contribution to the understanding of neurophysiological and cognitive mechanisms underlying positive phototaxis and visual learn-ing in honeybees.

Assunto

Neurociências, Octopamina, Dopamina, Abelhas, Fototaxia, Células Fotorreceptoras de Invertebrados

Palavras-chave

octopamina, dopamina, Apis mellifera, aprendizagem visual associativa, fototaxia, fotorreceptores

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