Universität zu Köln

Maier, Silke (2014). Die Charakterisierung der Vokalisationsbahn bei der chinesischen Rotbauchunke, Bombina orientalis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Anuran amphibians use acoustic communication mainly during their courting and mating rituals. In the course of evolution four different vocal mechanisms have developed. Except for the reduced laryngeal calling mechanism of the genus Pipidae, Anurans generate sound signals by means of an airstream. The production is based on a coordinated interaction between mouth, larynx and, if necessary, the trunk musculature, which, in turn, are controlled by premotor and motor areas of the vocal pathway. The current scientific knowledge of the neuronal interconnectivity within the vocal pathway is based on neuro-anatomical studies of the aberrant species Xenopus laevis (Pipidae), in which conflicting statements of the connectivity between the vocal pattern generator and the vocal pacemaker exists. The aim of this study was to investigate the vocal pathway of the pedomorphic Bombina orientalis, with special emphasis on the role of afferent input to the praetrigeminal nucleus. As a first step c-fos staining method, a marker of activity-dependent immediate early gene expression, was used to map brain activity of calling males. Acoustic signals of conspecific advertising calls lead to c-fos expression in neurons in the whole brain, especially in acoustic, premotoric, sensomotoric, modulating and limbic brain regions. Brains of calling males exhibit stained neurons in the anterior preoptic nucleus, localized in the dorsal part. The posterior preoptic nucleus showed an increase of stained cell bodies as well, whereas its involvement in call triggering could not be determined due to the small number of experimental animals. The connectivity of vocal areas was analyzed with different tracer methods. Tracer applications into the pretrigeminal nucleus (vocal pattern generator) revealed no direct projection from the anterior preoptic nucleus (vocal pacemaker), but instead from the tegmentum, infundibulum and the raphé nucleus. This staining further suggests a contact at the dendritic arborisations, except for the tegmentum, which projects presumably directly to the soma via a fiber tract. Trace application into the preoptic area confirms that the pattern generator and vocal pacemaker are connected through relay stations, probably the infundibulum and the tegmentum. The tegmentum shows reciprocal connections to both vocalization areas and to the infundibulum, so that a role as an audio-vocal interface is evident. Another brain structure, which has an indirect influence on the vocal system, is comprised of the habenulares nuclei. Tracer applications to this area revealed afferent and efferent connections to numerous nuclei in all parts of the brain, e.g. the raphé nucleus, the preoptica area, the tegmentum and infundibulum. The habenulares nuclei modulate the vocal system through a dopaminergic and serotoneric system, although many functions remain ambiguous within the vocal system.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Anuren nutzen die akustische Kommunikation hauptsächlich im Rahmen des Reproduktionsverhaltens. Im Laufe der Evolution haben sich vier verschiedene Vokalisationsmechanismen entwickelt, die mit Ausnahme des atmungsunabhängigen laryngealen Rufmechanismus der Familie der Pipidae, die Schallsignale mit Hilfe des Atemluftstroms erzeugen. Die Produktion basiert dabei auf ein koordiniertes Zusammenspiel von Mund-, Rachen- und gegebenenfalls Rumpfmuskulatur, die von prämotorischen und motorischen Kerngebieten der Vokalisationsbahn gesteuert werden. Der heutige Wissenstand der zentralnervösen Verschaltung der Vokalisationsbahn basiert hauptsächlich auf neuroanatomischen Daten von der abweichenden Art Xenopus laevis (Pipidae), wobei zum Teil widersprüchliche Aussagen über die Verschaltung des vokalen Schrittmachers und des vokalen Mustergenerators existieren. Das Ziel meiner Arbeit war daher die Aufklärung der Vokalisationsbahn bei der pädomorphen Art Bombina orientalis, die insbesondere Rückschlüsse über die afferenten Eingänge des Nucleus praetrigeminalis geben sollten. Im ersten Versuchsansatz wurde mittels immunhistochemischen Untersuchungen die Gehirnaktivität bei rufaktiven Männchen mittels dem Aktivitätsmarker c-fos kartiert. Akustische Stimulationen mit konspezifischen Paarungsrufen führten zu c-fos exprimierenden Neuronen im gesamten Gehirn, insbesondere in akustischen, prämotorischen, sensomotorischen, modulierenden und limbischen Kerngebieten. Bei rufaktiven Männchen konnten markierte Somata auch im Nucleus praeopticus anterior beobachtet werden, die hauptsächlich im dorsalen Anteil lokalisert waren. Eine Zunahme von markierten Zellkörpern konnte ebenfalls im Nucleus praeopticus posterior beobachtet werden, wobei seine Beteiligung an der Rufauslösung aufgrund der geringen Anzahl von Versuchstieren nicht ermittelt werden konnte. Die Konnektivität der Vokalisationsareale wurden mit unterschiedlichen Tracer-Methoden analysiert. Tracer-Applikationen in den Nucleus praetrigeminalis (vokalen Mustergenerator) zeigten keinen direkten Eingang aus dem Nucleus praeopticus anterior (vokalen Schrittmacher), jedoch aus dem Tegmentum, dem Infundibulum und dem Nucleus raphé. Die Färbungen weisen weiterhin auf einen Kontakt an den dendritischen Arborisationen hin, mit Ausnahme des Tegmentum, das wahrscheinlich über ein Faserbündel direkt zum Somata des Nucleus praetrigeminales projiziert. Tracer-Applikationen in die Area praeoptica bestätigen, dass der vokale Mustergenerator und der vokale Schrittmacher über Zwischen- oder Relaisstationen verbunden sind und sowohl das Infundibulum als auch das Tegmentum in Frage kommen. Insbesondere das Tegmentum wies zu beiden Vokalisationsarealen und zum Infundibulum reziproke Verbindungen auf, so dass eine Rolle als audio-vokales Interface evident ist. Eine weitere Struktur, die jedoch einen indirekten Einfluss auf das Vokalisationssystem ausübt, sind die Nuclei habenulares. Tracer-Applikationen in dieses Areal konnten afferente und efferente Verbindungen mit zahlreichen Nuclei aus allen Gehirnabschnitten aufweisen, u.a. auch zum Nucleus raphé, zur Area praeoptica, zum Tegmentum und zum Infundibulum. Die Nuclei habenulares modulieren das Vokalisationssystem über das dopaminerge und serotonerge System, wobei viele Funktion innerhalb des Vokalisationssystems noch unklar sind. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Maier, Silke silkemaier@hotmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-55631
Date:	2014
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Mathematics and Science Education > Institute of Biology Education
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Bombina orientalis, Vocalization, Tracing, Nucleus preaopticus anterior, Nucleus preatrigeminalis English
Date of oral exam:	22 October 2013
Referee:	Name Academic Title Walkowiak, Wolfgang Prof. Dr. Endepols, Heike PD. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5563