Universität zu Köln

Krause, Alexander (2005). Generation of locomotor activity in fin motoneurons of the lamprey during "fictive locomotion". PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The river lamprey (Lampetra fluviatilis) possesses two different types of muscles responsible for swimming. For propulsion of the animal during undulatory movement the lateral, in the trunk of the lamprey located, myotomal musculature is responsible, that is antiphasically active. These muscles are controlled by myotomal motoneurons. For controlling of the horizontal position of the lamprey, the fin of the lamprey is used, controlled by fin motoneurons. Both types of motoneurons are located in the spinal cord. Intracellular recordings of myotomal and fin motoneurons showed during swimming that the latter ones are antiphasic activated compared to myotomal motoneurons. The main aim of this thesis was to find the answer of the question how this antiphasic activation is controlled. Therefore all experiments were performed on the �fictive swimming� animal. First it was tried to characterize fin motoneurons morphologically and electrophysiologically. Then it was resolved by current injection to the recorded fin motoneurons if they get a phasic inhibitory or excitatory drive from other neurons. Lesion experiments were used to identify whether fin motoneurons receive contralateral or ipsilateral synaptic input and whether this input was inhibitory or excitatory. It could be shown that there are at least two morphological distinct types of fin motoneurons in the spinal cord of the lamprey, both characterized by a probably specialized shape of membrane potential oscillation. After classification of the different shapes of the membrane potential oscillations of all recorded fin motoneurons using �hierarchical clustering� it could be shown that there is a third different membrane potential pattern, besides the two mentioned before. This third shape could not be allocated to the morphological fin motoneurons so far. The results show that there are at least three different patterns of membrane potential oscillations in the fin motoneurons of "Lampetra fluviatilis" and therefore this could be a hint that there are also three different types of cells located in the lamprey spinal cord. After injection of negative current to these three different types of fin motoneurons it could be shown for two types of them that they receive phasic inhibitory and excitatory input during membrane potential oscillations. The data for the third type are not enough yet to confirm this result. After sagittal and transversal lesions performed on the spinal cord of Lampetra fluviatilis showed that the shape of the membrane potential oscillation of fin motoneurons still persisted, but that the peak-to-peak amplitude was affected. It could be shown that after performing a sagittal lesion the peak-to-peak amplitude decreased significantly whereas a transversal lesion (rostral or caudal to the recorded cell) showed a significant increase of the peak-to-peak amplitude. This means that fin motoneurons receive excitatory drive from the contralateral hemisegment and that they receive inhibitory drive from ipsilateral located segments. According to all the collected results and based on known literature a possible model was developed to show which neurons, located in the spinal cord, could be involved for coordinating and controlling fin motoneurons and their antiphasic activation compared to myotomal motoneurons.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Generierung von Bewegungsaktivitaet in Rückenflossenmotoneurone des Neunauges während "fiktiver Fortbewegung" German
Translated abstract:	Abstract Language Das Neunauge �Lampetra fluviatilis� verfügt über zwei verschiedene Muskelarten für die Fortbewegung. Für die undulatorische Vorwärtsbewegung des Tieres im Wasser dient die lateral im Körper liegende myotomale Muskulatur, die antiphasisch aktiv ist. Gesteuert wird diese Muskulatur durch die myotomalen Motoneurone. Zur Kontrolle der Lage im Wasser bedient sich das Neunauge der Rückenflosse, die durch spezielle Motoneurone (Rückenflossenmotoneurone) aktiviert wird. Beide Typen von Motoneurone sind im Rückenmark des Neunauges lokalisiert. Intrazelluläre Ableitungen von myotomalen- und Rückenflossenmotoneuronen zeigten, dass letztere während der Fortbewegung immer in Antiphase zur myotomalen aktiv sind. Hauptaufgabe in dieser Arbeit war die Frage dieser antiphasischen Koordination zu klären. Alle Versuche wurden am �fiktiv schwimmenden� Tier durchgeführt. Als erstes wurde versucht die Rückenflossenmotoneurone morphologisch und elektrophysiologisch zu charakterisieren. Außerdem wurde durch Strominjektion in die abgeleiteten Rückenflossenmotoneurone der phasische erregende und inhibitorische Einfluß anderer Neurone ermittelt. Durch Läsionen am Rückenmark wurde versucht den kontralateralen, bzw. ipsilateralen synaptischen Eingang zu ermitteln, den die gemessenen Motoneurone erhalten. Es konnte gezeigt werden, dass mindestens zwei morphologisch verschiedene Typen von Rückenflossenmotoneurone im Neunauge existieren, beide gekennzeichnet durch eine vielleicht für jeden Typ eigenständige Modulation des Membranpotentials. Nach Klasseneinteilung der Membranpotentialmodulation aller abgeleiteten intrazellulären Ableitungen mit Hilfe der Methode des �hierarchical clustering� konnte gezeigt werden, dass neben den zwei oben erwähnten Mustern noch ein drittes existiert, welches bis dato noch keinem morphologisch untersuchten Rückenflossenmotoneurontyp zuzuordnen ist. Das bedeutet, dass es in Lampetra fluviatilis mindestens drei verschiedene Modulationsmuster des Membranpotentials in Rückenflossenmotoneuronen gibt und diese eventuell auf ebensoviele verschiedene Zelltypen hinweisen. Durch Injektion von Chlorid-Ionen durch negativen Strom in Zellen dieser drei verschiedenen Typen konnte für zwei Typen gezeigt werden, dass während der Oszillation des Membranpotentials eine aktive phasische Inhibition und Erregung der Rückenflossenmotoneurone vorliegt. Für den dritten Typ reichen die Ergebnisse im Moment nicht aus um eine gesichert Aussage zu treffen. Lesionen am Rückenmark zeigten, dass nach einem sagittalen- wie auch nach einem transversalen Schnitt das Modulationsmuster des Membranpotentials unverändert blieb, jedoch wurde die Gesamtamplitude des Membranpotentials tangiert. Es konnte gezeigt werden, dass nach einem sagittalen Schnitt die Amplitude geringer wird, während sie nach einem transversalen (egal ob rostral oder kaudal von dem abgeleiteten Neuron durchgeführt) anstieg. Das bedeutet, dass Rückenflossenmotoneurone einen erregenden kontralateralen Eingang erhalten, während sie von benachbarten ipsilateralen Segmenten einen hemmenden Einfluß erhalten. Auf Grund der ermittelten Ergebnisse und mit Hilfe der vorhandenen Literatur wurde dann ein mögliches Modell entwickelt, um zu zeigen welche Neurone Rückenflossenmotoneurone beeinflussen können und wie eine antiphasische Koordination von myotomalen- und Rückenflossenmotoneuronen im Rückenmark möglich sein könnte. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Krause, Alexander krause.alexander@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-16441
Date:	2005
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Neunauge, Rhythmusgenerator, Motoneurone German CPG, lamprey, spinal cord, fin motoneuron, central pattern generator English
Date of oral exam:	12 December 2005
Referee:	Name Academic Title Büschges, Ansgar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1644