Universität zu Köln

Westmark, Sandra (2007). State-dependent long lasting modulation of leg motoneuron membrane potential during stick insect walking. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF Dissertation_Sandra_Westmark.pdf Download (7MB)

Abstract

The basis of locomotion is the rhythmic activity of locomotor organs. During walking, rhythmic alternating bursts occur in leg motoneurons which result from the integration of signals from central pattern generators, sense organs and coordinating signals from neighboring segments. The rhythmic bursting pattern is shaped by rhythmic excitatory and inhibitory drive, as well as a long lasting (tonic) depolarizing modulation. This dissertation investigates the mechanisms that underlie the tonic modulation of neuronal activity, which is the basis of the rhythmic activity. A single-legged preparation of the stick insect was used, that allows the analysis of neuronal activity in mesothoracic motoneurons during front leg stepping, without the influence of local sense organs. Intracellular recordings of the membrane potential in flexor motoneurons ipsilateral and contralateral to the stepping front leg revealed a mean tonic membrane depolarization of 1.8 ±1.1 mV that could outlast the stepping sequence by several seconds. Furthermore, a phasic modulation of membrane potential occurred on top of the tonic depolarization, which was variably coupled to front leg steps. The tonic depolarization was associated with a decrease in input resistance, its amplitude depended on membrane potential and its mean reversal potential was found to be -41 mV. These properties of the tonic depolarization indicate that it is based on a nonselective cation conductance or a mixed inward and outward current through different channels. Furthermore, the tonic depolarization increased the excitability of the membrane to depolarizing input and was found to have long repolarization time constants (tau=800 ms). Pharmacological experiments were performed to identify the participating transmitter(s) and to test for a possible involvement of second messengers. Flexor motoneurons were recorded intracellularly while superfusing pharmacological agents, which were restricted to the mesothoracic ganglion. The muscarinic antagonist atropine decreased the tonic depolarization amplitude, thus indicating a role for acetylcholine in mediating the tonic depolarization via metabotropic receptors. Other transmitters/receptors might be involved too, as octopamine increased the tonic depolarization amplitude. This was supported by the reduction of the tonic depolarization amplitude by an octopaminergic antagonist (mianserin). Serotonin had an opposing effect on the tonic depolarization amplitude. It was shown that serotonin increased, but also decreased the tonic depolarization amplitude in different experiments. Several second messenger pathways might be involved in mediating the tonic depolarization, one of which seems to include calcium in the flexor motoneurons. Furthermore, the increase of the tonic depolarization amplitude by 8-Br-cAMP suggests a role for cAMP in mediating the tonic depolarization. An involvement of an IP3/DAG pathway was indicated by the increase in tonic depolarization in the presence of neomycin and U-73122. Additional experiments addressed the role of the brain (supraesophageal ganglion) in controlling neuronal activity in the mesothoracic ganglion induced by front leg stepping. Especially the relevance of the brain for generating the tonic depolarization was tested in lesion experiments. Brain removal decreased the tonic depolarization amplitude, thus indicating a role for descending pathways in influencing the tonic depolarization. Another preparation was used to investigate the neuronal activity in neck connectives during front leg stepping. The neuronal activity increased and was correlated to front leg stepping velocity. In brainless animals, however, the increased activity in neck connectives was diminished.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Status abhängige, lang anhaltende Modulation des Membranpotentials von Beinmotoneuronen während des Laufens bei Stabheuschrecken. German
Translated abstract:	Abstract Language Fortbewegung beruht auf der rhythmischen Aktivität der Fortbewegungsorgane. Während des Laufens treten rhythmisch alternierende Aktionspotentialsalven in Beinmotoneuronen auf, die aus der Integration von Signalen zentraler Rhythmusgeneratoren, Sinnesorganen und koordinierenden Signalen aus benachbarten Segmenten resultieren. Das rhythmische Muster von Aktionspotentialsalven wird durch rhythmisch erregende und hemmende Eingänge, sowie durch eine lang anhaltende (tonische) depolarisierende Modulation strukturiert. Die vorliegende Dissertation untersucht die der tonischen Modulation neuronaler Aktivität unterliegenden Mechanismen, welche die Basis der rhythmischen Aktivität sind. Es wurde ein Einbein-Präparat der Stabheuschrecke verwendet, welches die Analyse neuronaler Aktivität in mesothorakalen Motoneuronen ohne die Einflüsse der lokalen Sinnesorgane während des Vorderbein-Laufens erlaubt. Intrazelluläre Ableitungen des Membranpotentials von Flexor Motoneuronen ipsi- und kontralateral zum laufenden Vorderbein zeigten eine mittlere tonische Depolarisation der Membran von 1.8 ±1.1 mV, welche die Schrittsequenz um mehrere Sekunden überdauern konnte. Außerdem trat eine phasische Modulation des Membranpotentials auf, die variabel an Vorderbeinschritte gekoppelt war. Die tonische Depolarisation ging mit einer Abnahme des Eingangswiderstands einher, ihre Amplitude hing vom Membranpotential ab und das Umkehrpotential lag bei -41 mV. Diese Eigenschaften der tonischen Depolarisation weisen darauf hin, dass sie entweder auf einer unselektiven Kationen-Leitfähigkeit oder einem gemischten Einwärts- und Auswärtsstrom durch verschiedene Kanäle basiert. Außerdem steigerte die tonische Depolarisation die Erregbarkeit der Membran für depolarisierende Eingänge und zeigte lange Repolarisations-Zeitkonstanten (tau= 800 ms). Es wurden pharmakologische Experimente durchgeführt um die beteiligten Transmitter zu identifizieren und die mögliche Mitwirkung von second messengern zu testen. Während einer auf das mesothorakale Ganglion beschränkten Applikation von Pharmaka wurde intrazellulär von Flexor-Motoneuronen abgeleitet. Der muskarinerge Antagonist Atropin reduzierte die Amplitude der tonischen Depolarisation und deutet auf eine Rolle von Acetylcholin bei der Übertragung der tonischen Depolarisation über metabotrope Rezeptoren hin. Es scheinen aber auch andere Transmitter bzw. Rezeptoren beteiligt zu sein, da Oktopamin die Amplitude der tonischen Depolarisation vergrößerte. Die Reduktion der Amplitude der tonischen Depolarisation durch den oktopaminergen Antagonisten Mianserin unterstützte diesen Befund. Serotonin hatte gegensätzliche Wirkung auf die Amplitude der tonischen Depolarisation. Es wurde gezeigt, dass Serotonin die Amplitude der tonischen Depolarisation in verschiedenen Experimenten vergrößerte oder reduzierte. Verschiedene second messenger Wege könnten an der Übertragung der tonischen Depolarisation beteiligt sein, möglicherweise unter Nutzung von Calcium in den Motoneuronen. Eine Erhöhung der tonischen Depolarisation durch 8-Br-cAMP weist zudem auf eine Beteiligung von cAMP bei der Übertragung der tonischen Depolarisation hin. Eine Beteiligung eines IP3/DAG Weges lässt der Anstieg der tonischen Depolarisation in Gegenwart von Neomycin und U-73122 vermuten. Ergänzende Experimente behandelten die Rolle des Gehirns (Oberschlundganglion) bei der Kontrolle neuronaler Aktivität im mesothorakalen Ganglion, die durch Schreiten des Vorderbeins induziert wurde. Speziell die Relevanz des Gehirns für die Erzeugung der tonischen Depolarisation wurde in Läsionsexperimenten untersucht. Das Entfernen des Gehirns reduzierte die Amplitude der tonischen Depolarisation, und deutet damit auf eine Rolle deszendierender Bahnen bei der Beeinflussung der tonischen Depolarisation hin. In einer weiteren Präparation wurde die neuronale Aktivität in Halskonnektiven während Schreitens des Vorderbeins untersucht. Die neuronale Aktivität zeigte eine mit der Schreitgeschwindigkeit des Vorderbeins korrelierte Zunahme. In gehirnlosen Tieren war der Aktivitätsanstieg in den Halskonnektiven vermindert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Westmark, Sandra S.Westmark@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-21191
Date:	2007
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 Stabheuschrecke, Fortbewegung, tonische Depolarisation, Motoneuron, Neurobiologie German stick insect, locomotion, tonic depolarization, motoneuron, neurobiology English
Date of oral exam:	27 June 2007
Referee:	Name Academic Title Schmidt, Joachim PD Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2119