Stolz, Thomas (2018). Descending Octopaminergic Neurons in the Stick Insect: Their Inputs and their Output Effects on the Locomotor System. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The neural networks controlling locomotion (walking) must exhibit a high degree of flexibility for task-specific adaptation of behavior to environmental influences and changes in internal state. Neuromodulatory influences are very important for this flexibility, as they can regulate the activity of all neurons in the walking system and the strengths of their synaptic connections. To fully understand the neural control of walking, it is crucial to identify the neurons that release neuromodulators and to determine their activity patterns during behavior and analyze the properties of their output effects. Octopamine, one such neuromodulator, is considered the invertebrate homolog to the vertebrate noradrenaline. It is a significant modulator in insect locomotor systems, both acting in the peripheral and central nervous systems. Octopamine modulates muscle metabolism, neuromuscular transmission, sensory sensitivity, excitability of motor neurons, and activity in the central pattern generating networks that control locomotion. The neural source of octopamine acting in the central nervous system of insect thoracic segments has not yet been identified. Thus, it is unknown to what extent effects of application of octopamine to thoracic ganglia in previous studies reflect the physiological role of octopamine. In the current thesis, I hypothesized that dorsal unpaired median neurons with bilaterally descending axons (desDUM neurons) are a source of octopaminergic modulation of activity in thoracic neural networks for the control of walking in the stick insect Carausius morosus. I revealed the morphology of desDUM neurons in the gnathal ganglion by intracellular staining. Employing the newly developed method of direct MALDI-TOF mass spectrometry, I could show that stick insect desDUM neurons are octopaminergic. Using semi-intact preparations and intracellular recordings of desDUM neurons, I found that they are phasically activated during six-legged walking and single-leg stepping. The phasic excitatory input to desDUM neurons during walking does not arise from coupling to activity of mesothoracic central pattern generating networks, but most likely from activation of mechanosensory organs of all six legs. Passive leg movement and stimulation of mesothoracic campaniform sensilla excited desDUM neurons. Furthermore, stimulation of the mesothoracic femoral chordotonal organ (fCO) had a weak excitatory influence on their activity. Further, I investigated the output effects of desDUM neurons on reflex-evoked, spontaneous, and centrally generated activity of mesothoracic motor neurons with activation of single desDUM neurons. I could show that distinct desDUM neurons mediate differential effects. Some neurons induce a decrease and others an increase, in the magnitude of reflex-induced motor neuron activity. The neurons which mediated an excitatory influence additionally increased the frequency of reversal of an fCO-induced postural reflex. Some desDUM neurons mediated an increase in the frequency of centrally generated rhythmic motor neuron activity. Collectively, the results of the current thesis provide a comprehensive characterization of desDUM neurons and their complex roles in the stick insect locomotor system. The identity of direct neural target structures for the modulatory action of desDUM neurons, as well as the net output effects of the entire population of desDUM neurons during walking remain open questions. In future experiments, genetic access to desDUM neurons could aid in the activation, silencing, or visualization of their activity, which would collectively contribute to comprehensive answers to the open questions.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated title:
TitleLanguage
Absteigende oktopaminerge Neurone in der Stabheurschrecke: Ihre Eingänge und ihre Ausgangseffekte auf das FortbewegungssystemGerman
Translated abstract:
AbstractLanguage
Das neuronale Netzwerk zur Steuerung der Fortbewegung (Laufen) muss ein hohes Maß an Flexibilität für die aufgabenspezifische Anpassung des Verhaltens an Umwelteinflüsse und innere Zustandsänderungen aufweisen. Neuromodulatorische Einflüsse sind sehr bedeutend für die Flexibilität, da sie die Aktivität aller Neuronen des Laufsystems und die Stärke ihrer synaptischen Verbindungen modulieren können. Um die neurale Kontrolle des Laufens vollständig zu verstehen, ist es wichtig, die Neuronen zu identifizieren, die Neuromodulatoren freisetzen, ihre Aktivitätsmuster während des Verhaltens zu bestimmen und die Eigenschaften ihrer Ausgangseffekte zu analysieren. Der Neuromodulator Octopamin, gilt als Invertebraten-Homolog zum Noradrenalin der Wirbeltiere. Octopamin ist ein signifikanter Modulator im Laufsystem der Insekten, wo es sowohl im peripheren als auch zentralen Nervensystem wirkt. Octopamin, moduliert den Muskelstoffwechsel, die neuromuskuläre Übertragung, die sensorische Sensitivität, die Erregbarkeit von Motorneuronen und die Aktivität in zentralen Muster erzeugenden Netzwerken, die die Fortbewegung steuern. Die neurale Quelle von Octopamin, das im Zentralnervensystem der thorakalen Segmente von Insekten wirkt, ist noch nicht identifiziert worden. Es ist daher nicht bekannt, inwieweit Effekte infolge der Applikation von Octopamin auf thorakale Ganglien, in früheren Studien, die physiologische Rolle von Octopamin widerspiegeln. In der vorliegenden Arbeit stellte ich die Hypothese auf, dass dorsale ungepaarte mediane Neuronen mit bilateral absteigenden Axonen (desDUM-Neuronen) eine Quelle der oktopaminergen Modulation der Aktivität in thorakalen neuronalen Netzwerken zur Steuerung des Laufens bei der Stabheuschrecke Carausius morosus sind. Ich habe die Morphologie der desDUM-Neuronen im Unterschlundganglion durch intrazelluläre Färbung aufgedeckt. Mit der neu entwickelten Methode der direkten MALDI-TOF Massenspektronomie konnte ich zeigen, dass desDUM Neuronen in der Stabheuschrecke oktopaminerg sind. Mittels semiintakter Präparate und der intrazellulären Aufnahme des Membranpotentials von desDUM-Neuronen fand ich heraus, dass die Neuronen während des sechsbeinigen Laufens und des einbeinigen Schreitens phasisch aktiviert werden. Der phasisch exzitatorische Eingang in desDUM-Neuronen während des Laufens ergibt sich nicht aus einer Kopplung an Aktivität von mesothorakalen zentralen Muster erzeugenden Netzwerken, sondern höchstwahrscheinlich aus einer Aktivierung von meschanosensorischen Organen aller sechs Beine. Passive Beinbewegung und Stimulation der mesothorakalen campaniformen Sensillen waren erregend. Weiterhin hatte die Stimulation des mesothorakalen femoralen Chordotonalorgans (fCO) einen schwachen exzitatorischen Einfluss auf die Aktivität von desDUM Neuronen. Ich untersuchte die Effekte von desDUM Neuronen auf reflexinduzierte, spontane und zentral generierte Aktivität von mesothorakalen Motoneuronen anhand der Aktivierung von einzelnen desDUM Neuronen. Ich konnte zeigen, dass verschiedene desDUM-Neuronen unterschiedliche Wirkungen vermitteln. Einige Neuronen induzieren eine Abnahme und andere eine Zunahme der Stärke der reflexinduzierten Aktivität von Motoneuronen. Die Neuronen, die einen exzitatorischen Einfluss vermittelten, erhöhten zusätzlich die Häufigkeit der Umkehrung eines fCO-induzierten Haltungsreflexes. Einige desDUM-Neuronen vermittelten eine Zunahme der Frequenz von zentral erzeugter rhythmischer Motoneuronenaktivität. Zusammenfassend liefern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit eine umfassende Charakterisierung der desDUM-Neuronen und ihrer komplexen Rolle im Laufsystem der Stabheuschrecke. Die Identität direkter neuronaler Zielstrukturen für die modulatorische Wirkung von desDUM-Neuronen sowie der Nettoeffekt der gesamten Population von desDUM-Neuronen beim Laufen bleiben offen. In zukünftigen Experimenten könnte der genetische Zugang zu desDUM-Neuronen bei der Aktivierung, Hemmung und Aufzeichnung ihrer Aktivität helfen. Die könnte dazu beitragen die offenen Fragen zu beantworten.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Stolz, Thomast.stolz1@gmx.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-94290
Subjects: Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Neuromodulation, Octopamine, Stick InsectEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Language: English
Date: 2018
Date of oral exam: 12 June 2018
Referee:
NameAcademic Title
Schmidt, JoachimPD Dr.
Kloppenburg, PeterProf. Dr.
Funders: Graduate School for Biological Sciences Universität zu Köln
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9429

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