Robin Grob

• Humans and animals alike use the sun, the moon, and the stars to guide their ways. However, the position of celestial cues changes depending on daytime, season, and place on earth. To use these celestial cues for reliable navigation, the rotation of the sky has to be compensated. While humans invented complicated mechanisms like the Antikythera mechanism to keep track of celestial movements, animals can only rely on their brains. The desert ant Cataglyphis is a prime example of an animal using celestial cues for navigation. Using the sunHumans and animals alike use the sun, the moon, and the stars to guide their ways. However, the position of celestial cues changes depending on daytime, season, and place on earth. To use these celestial cues for reliable navigation, the rotation of the sky has to be compensated. While humans invented complicated mechanisms like the Antikythera mechanism to keep track of celestial movements, animals can only rely on their brains. The desert ant Cataglyphis is a prime example of an animal using celestial cues for navigation. Using the sun and the related skylight polarization pattern as a compass, and a step integrator for distance measurements, it can determine a vector always pointing homewards. This mechanism is called path integration. Since the sun’s position and, therefore, also the polarization pattern changes throughout the day, Cataglyphis have to correct this movement. If they did not compensate for time, the ants’ compass would direct them in different directions in the morning and the evening. Thus, the ants have to learn the solar ephemeris before their far-reaching foraging trips. To do so, Cataglyphis ants perform a well-structured learning-walk behavior during the transition phase from indoor worker to outdoor forager. While walking in small loops around the nest entrance, the ants repeatedly stop their forward movements to perform turns. These can be small walked circles (voltes) or tight turns about the ants’ body axes (pirouettes). During pirouettes, the ants gaze back to their nest entrance during stopping phases. These look backs provide a behavioral read-out for the state of the path integrator. The ants “tell” the observer where they think their nest is, by looking back to it. Pirouettes are only performed by Cataglyphis ants inhabiting an environment with a prominent visual panorama. This indicates, that pirouettes are performed to learn the visual panorama. Voltes, on the other hand, might be used for calibrating the celestial compass of the ants. In my doctoral thesis, I employed a wide range of state-of-the-art techniques from different disciplines in biology to gain a deeper understanding of how navigational information is acquired, memorized, used, and calibrated during the transition phase from interior worker to outdoor forager. I could show, that celestial orientation cues that provide the main compass during foraging, do not guide the ants during the look-backbehavior of initial learning walks. Instead Cataglyphis nodus relies on the earth’s magnetic field as a compass during this early learning phase. While not guiding the ants during their first walks outside of the nest, excluding the ants from perceiving the natural polarization pattern of the skylight has significant consequences on learning-related plasticity in the ants’ brain. Only if the ants are able to perform their learning-walk behavior under a skylight polarization pattern that changes throughout the day, plastic neuronal changes in high-order integration centers are induced. Especially the mushroom bogy collar, a center for learning and memory, and the central complex, a center for orientation and motor control, showed an increase in volume after learning walks. This underlines the importance of learning walks for calibrating the celestial compass. The magnetic compass might provide the necessary stable reference system for the ants to calibrate their celestial compass and learn the position of landmark information. In the ant brain, visual information from the polarization-sensitive ocelli converge in tight apposition with neuronal afferents of the mechanosensitive Johnston’s organ in the ant’s antennae. This makes the ants’ antennae an interesting candidate for studying the sensory bases of compass calibration in Cataglyphis ants. The brain of the desert navigators is well adapted to successfully accomplish their navigational needs. Females (gynes and workers) have voluminous mushroom bodies, and the synaptic complexity to store large amount of view-based navigational information, which they acquire during initial learning walks. The male Cataglyphis brain is better suited for innate behaviors that support finding a mate. The results of my thesis show that the well adapted brain of C. nodus ants undergoes massive structural changes during leaning walks, dependent on a changing celestial polarization pattern. This underlies the essential role of learning walks in the calibration of orientation systems in desert ants.…
• Die Gestirne helfen nicht nur Menschen uns zurecht zu finden, sondern auch Tiere können Sonne, Mond und Sterne für Navigation nutzen. Dabei gilt es aber zu beachten, dass die Himmelskörper ihre Position abhängig von der Tageszeit, den Jahreszeiten und dem Standort auf der Erde verändern. Um anhand von Himmelseigenschaften erfolgreich navigieren zu können, ist es deshalb unerlässlich diese Himmelsrotation zu kennen und für sie zu kompensieren. Menschen haben dafür bereits in der Antike komplizierte Maschinen wie den Antikythera MechanismusDie Gestirne helfen nicht nur Menschen uns zurecht zu finden, sondern auch Tiere können Sonne, Mond und Sterne für Navigation nutzen. Dabei gilt es aber zu beachten, dass die Himmelskörper ihre Position abhängig von der Tageszeit, den Jahreszeiten und dem Standort auf der Erde verändern. Um anhand von Himmelseigenschaften erfolgreich navigieren zu können, ist es deshalb unerlässlich diese Himmelsrotation zu kennen und für sie zu kompensieren. Menschen haben dafür bereits in der Antike komplizierte Maschinen wie den Antikythera Mechanismus entwickelt, Tiere dagegen brauchen nur ihr Gehirn. Wüstenameisen der Galtung Cataglyphis sind kleine Meisternavigatoren. Sie benutzen einen Himmelskompass, basierend auf der Sonne und dem mit ihr assoziierten Polarisationsmuster des Himmels, und einen Schrittintegrator, um einen Vektor zu bestimmen, der immer genau zu ihrem Ausgangspunkt zurück zeigt. Dieser Orientierungsmechanismus heißt Wegintegration. Da sich allerdings die Position der Sonne am Himmel und damit auch das Polarisationsmuster des Himmels über den Tag verändern, muss Cataglyphis für diese Veränderung kompensieren. Würde sie das nicht tun, würde ihr Kompass morgens in eine ganz andere Richtung als abends zeigen. Deshalb müssen Ameisen den Sonnenverlauf erlernen bevor sie zu ihren weitläufigen Futtersuchläufen aufbrechen. Cataglyphis führt dazu ein strukturiertes Lernlaufverhalten durch während des Übergangs von Innendiensttier zu Sammlerinnen. Dabei laufen die Ameisen in kleinen Schlaufen um ihren Nesteingang und stoppen ihre Vorwärtsbewegung mehrmalig, um Drehungen durchzuführen. Diese Drehungen sind entweder kleine gelaufene Kreise (Volten) oder Drehungen um die eigene Achse (Pirouetten). Nur Cataglyphis, die Gegenden mit einem reichhaltigen visuellen Panorama bewohnen, führen Pirouetten aus bei denen sie zurück zu ihrem Nesteingang schauen. Dies legt nahe, dass während Pirouetten das Panorama gelernt wird. Während Volten wird wohl der Himmelskompass kalibriert. Die Rückdrehungen während ihrer Lernläufe geben die einmalige Möglichkeit, die Ameise zu „fragen“ wo sie denkt, dass ihr Nest sei und damit ihren Wegintegrator auszulesen. In meiner Doktorarbeit kombinierte ich viele biologischen Methoden unterschiedlicher Disziplinen um zu untersuchen wie die Ameisen ihre Navigationssysteme während der ersten Läufe außerhalb des Nestes erlernen, speichern, kalibrieren und später nutzen. Ich konnte zeigen, dass Himmelsinformationen, die bei Sammlerinnen als wichtigster 4 Kompass dienen, nicht für die Orientierung der Rückblicke während Lernläufen dienen. Stattdessen nutzten naive Cataglyphis nodus das Erdmagnetfeld als Kompass. Obwohl Himmelsinformationen nicht als Kompass während der Lernläufe genutzt werden, spielen sie eine essentielle Rolle für neuroplastische Veränderungen im Gehirn der Ameisen. Nur wenn Ameisen ihre Lernläufe unter einem Polaristaionsmuster, das sich über den Tag hinweg verändert, ausführen, kommt es zu plastischen Veränderungen in neuronalen Integrationszentren. Besonders die Pilzkörper, Zentren für Lernen und Gedächtnis, und der Zentralkomplex, Zentrum für Orientierung und Bewegungssteuerung, nehmen im Volumen nach Lernläufen zu. Lernläufe spielen also eine wichtige Rolle für die Kalibrierung der Navigationsinformationen. Das Erdmagnetfeld könnte das für die Kalibierung notwendige erdgebundene, stabile Referenzsystem bieten, an dem die Himmelsbewegung gelernt wird. Im Ameisengehirn laufen visuelle Informationen von den polarisatiossensitiven Ocelli mit Afferenzen des mechanosensitiven Johnstonschen Organ aus der Antenne zusammen. Die Antenne könnte daher eine wichtiges Organ für die Kalibrierung der Orientierungssysteme sein. Das kleine Gehirn der Ameisen ist bestens an ihre Anforderungen als große Navigatoren angepasst. Weibliche C. nodus (Arbeiterinnen und Königinnen) besitzen große Pilzkörper mit einer Anzahl an Synapsen, die es ihnen erlaubt eine Vielzahl von Umgebungsbildern zu speichern, die sie während ihrer initialen Lernläufe lernen müssen. Das männliche Cataglyphis-Gehirn ist besser auf angeborene Orientierungsstrategien angepasst, die ihm helfen einen Geschlechtspartner zu finden. Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit zeigen, dass das an die navigatorischen Herausforderungen angepasste Gehirn von C. nodus signifikante neuronale Veränderungen in Abhängigkeit eines sich veränderten Polaristaionsmusters während der Lernläufe erfährt. Dies zeigt die essentielle Rolle der Lernläufe in der Kalibrierung der Navigationssysteme von Wüstenameisen.…