Universität zu Köln

Fusca, Debora (2012). Assignment of potential neurotransmitters and neuromodulators to physiologically and morphologically identified olfactory interneurons. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Behavioral and physiological studies show that processing of odor information involves neuronal interactions among the glomeruli in the insect antennal lobe (AL). These interactions are mediated by a complex network of inhibitory and excitatory local interneurons (LNs), that structures the olfactory representation and ultimately determines the tuning profile of projection neurons. LNs have distinct morphological and intrinsic electrophysiological properties and in addi- tion to GABA and acetylcholine LNs may contain and release various peptides, that can potentially act as neurotransmitters or neuromodulators. In Periplan- eta americana two main LN types are known: 1) Spiking type I LNs (LN I), that generate Na+ driven action potentials upon odor stimulation and exhibit GABA- like immunoreactivity (GABA-LIR) and 2) nonspiking type II LNs, subdivided into type IIa and type IIb, with unknown transmitter, that do not generate Na+ driven action potentials. This LN diversity implies that these neurons serve dis- tinct functions in the olfactory system. Currently, the morphologically and phys- iologically distinct LN subtypes are not very well matched with the variety of neurotransmitters and -modulators. This, however, is an important prerequisite for a detailed understanding of the role of LNs in the olfactory circuit. While previous studies have investigated the neurochemical organization of the AL in various insect species, I unequivocally assigned the inventory of potentially neu- roactive substances to the functionally distinct LN types. For this purpose, I used a combination of whole-cell patch-clamp recording, sin- gle cell labeling and immunocytochemical methods, to analyze the inventory of neuroactive substances in the AL of P. americana. Using an antibody against the biosynthetic enzyme choline acetyltransferase (ChAT), a marker for cholinergic neurons, a subset of the nonspiking LN IIa with distinct physiological and morphological properties was identified as cholinergic. In these type IIa1 LNs (LN IIa1), odor stimulation evoked depolarizations that generated Ca2+ driven ’spikelets’, but not Na+ driven action potentials. In an effort to form a complete messenger profiling of identified LN types, the neuropeptide allatotropin (AT) was assigned to spiking LN I and tachykinin- related peptides (TKRPs) were assigned to both LN I and nonspiking LN IIa1. This suggests, that AT is coreleased with GABA in LN I, while TKRPs are core- leased with GABA in LN I as well as with acetylcholine in LN IIa1. Finally, a method is introduced, that offers the possibility to perform mass spec- trometry in electrophysiologically and morphologically identified interneurons, which allows a comprehensive data set of individual neurons to be built up.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Verhaltens-, sowie physiologische Studien zeigen, dass die Verarbeitung von Ge- ruchsinformationen durch neuronale Interaktionen in den Glomeruli des Anten- nallobus (AL) von Insekten bedingt wird. Diese Interaktionen werden von einem komplexen Netzwerk von hemmenden und erregenden lokalen Interneuronen (LNs) vermittelt, die das Abstimmungsprofil der Projektionsneurone reguliert und schließlich die Geruchsrepresentation formt. LNs haben speziefische mor- phologische und intrinsische elektrophysiologische Eigenschaften und können neben GABA und Acetylcholin unterschiedliche Peptide enthalten und ausschüt- ten, die potentiell als Neurotransmitter oder -modulatoren agieren können. In Periplaneta americana sind zwei LN-Haupttypen bekannt: 1) Spikende Typ I LNs (LN I), die bei Duftstimulation Na+-abhängige Aktionspotentiale generieren und GABA-immunreaktiv sind, und 2) nicht-spikende Typ II LNs (LN II), unterteilt in Typ IIa und Typ IIb, mit unbekanntem Transmitter, die keine Na+-abhängige Aktionspotentiale generieren. Diese Diversität innerhalb der LN Population im- pliziert auch unterschiedliche Funktionen verschiedener LN Typen bei der olfak- torischen Informationsverarbeitung. Während es bereits eine Reihe von Untersuchungen zur chemischen Organisation des AL verschiedener Insekten gibt, wurden hier die Transmitter- und Modula- torkandidaten direkt identifizierten LNs mit unterschiedlichen physiologischen Eigenschaften zugeordnet. Hierzu kombinierte ich ”whole cell patch clamp” Auf- nahmen, Einzelzellfärbungen und immuncytochemische Methoden. Mittels eines Antikörpers gegen das biosynthetisierende Enzym Acetylcholin- transferase (ChAT), welcher cholinerge Neurone markiert, konnte gezeigt wer- den, dass eine Untergruppe der nicht-spikenden LN IIa mit distinkten physiologischen und morphologischen Eigenschaften cholinerg ist. In diesen Typ IIa1 LNs (LN IIa1) rief eine Geruchsstimmulation Depolarisationen mit Ca2+-getragene ”Spikelets”, aber keine Na+-abhängige Aktionspotentiale hervor. Im Zuge einer vollständigen Aufklärung der Botenstoffe der identifizierten LN- Typen wurde außerdem das Neuropeptid Allatotropin (AT) den spikenden LN I und Tachykinine (TKRPs) sowohl den LN I als auch den nicht-spikenden LN IIa1 zugeordnet. Dies legt nahe, dass in LN I AT zusammen mit GABA ausgeschüttet wird, wohingegen TKRPs sowohl in LN I zusammen mit GABA, als auch in LN IIa1 zusammen mit Acetylcholin ausgeschüttet werden. Um einen möglichst vollständigen Informationensatz von individuellen, eindeutig identifizierten Neuronen erhalten zu können, wurde außerdem eine Methode etabliert, die es ermöglicht, Massenspektrometrie in elektrophysiologisch und morphologisch identifizierten Interneuronen durchzuführen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Fusca, Debora debor.fusca@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-51345
Date:	1 October 2012
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 olfaction English insect English local interneurons English
Date of oral exam:	13 November 2012
Referee:	Name Academic Title Kloppenburg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5134