Universität zu Köln

Grabowska, Martyna (2014). Theoretical and experimental investigations of intra- and inter-segmental control networks and their application to locomotion of insects and crustaceans. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Movements of the walking legs in terrestrial animals have to be coordinated continuously in order to produce successful locomotion. Walking is a cyclic process: A single step consists of a stance phase and a swing phase. In the stance phase, the leg muscles provide propulsion of the animal’s body. During the swing phase, the leg is positioned to the starting position of the next stance phase. Sensory input, arising from sensory organs in the legs, modulates the rhythmic motoneuronal activity and therefore the rhythmic activity of the antagonistic muscles pairs in a leg. The coordination of leg joints, and thus of the respective muscle pairs, is called intra-segmental coordination. For coordinated walking not only the proper coordination of one leg is important, but also the coordination of contralateral and ipsilateral legs. The latter is called inter-segmental coordination and also strongly depends on sensory feedback. In this thesis I present three publications (Grabowska et al., 2012; Toth et al., 2013; Grabowska et al., in rev.) and results of an experimental study focusing on different aspects of intra- and inter-segmental coordination. Starting with experimental data on the stick insect Carausius morosus, a well studied model organism for locomotion, I analyzed inter-segmental coordination of legs during walking behavior of stick insects by video analysis. I also performed electrophysiological experiments that provide insight into the inter-segmental connections of different thoracic segments. Furthermore, experimental results were summarized in mathematical models in order to reproduce stick insect locomotion and to provide new hypotheses about so far unknown neuronal controlling processes. First, a study of the walking behavior of the stick insect is introduced (Grabowska et al., 2012). For this purpose, walking sequences of adult animals, walking straight on surfaces with increasing and decreasing slopes, were recorded. Depending on the slope, the animals used different coordination patterns. Subsequent, walking patterns of animals with amputated front, hind or middle legs were analyzed. It became evident that the resulting coordination patterns were regular or maladapted, depending on the amputated leg pairs. We therefore assumed that afferent information from walking front, middle, and hind legs contribute differently to coordination. The second part presents a neuromechanical model that describes starting and stopping of a stick insect leg during walking (Tóth et al., 2013). An existing model of the intra-segmental neuronal network of the stick insect leg was extended by a model of its musculo-skeletal system. The focus of the model was on the neuronal control of slow and fast muscle fiber activity of the three proximal leg muscle groups at start and stop of a leg within a stepping cycle. Using the effects of sensory signals that encode position and velocity of the leg joints like the temporal components of activated muscles during start and stop, observed in experiments, as well as the timing of starting and stopping processes within a step cycle, the simulation results were in good agreement with the observed data of the stick insect. Therefore, this model can be regarded as physiologically relevant and leads to hypotheses about the neuronal control of the musculo-skeletal system that can reveal details of stop and starting in the walking animals. In the third part of this thesis the above mentioned 3-CPG-MN network model, which has been developed based on stick insect data, was extended to serve as a basic module for eight-legged locomotion in walking crustaceans (Grabowska et al., in rev.). For this purpose, the existing 3-CPG-MN network model was extended by an additional segmental module. The basic properties of the 3-CPG-MN network modules remained unchanged. By testing two different network topologies of the new 4-CPG-MN network model, specific walking behavior (coordination patterns, stepping frequency, and transitions) of crustaceans could be replicated by only changing the timing of the inter-segmental excitatory sensory input on the influenced segment. Considering the topology of the 3-CPG-MN network model, namely a caudal-rostral inter-segmental connection connecting every second CPG, the 4-CPG-MN network model was able to reproduce all kinds of walking behavior of forward walking crabs and crayfish. This network stresses the importance of the timing of excitatory signals that are provided by inter-segmental pathways in animals with eight walking legs and four thoracic segments, and proposes possible inter-segmental sensory pathways. Finally, results of experimental data are introduced showing that the rhythm of protractor/retractor central pattern generating networks (thorax-coxa joint) in the prothoracic ganglion can be influenced by a stepping ipsilateral hind leg of the stick insect. This inter-segmental pathway was hypothesized in the 3-CPG-MN network model of Daun-Gruhn and Tóth (2011) for stick insect walking. The experiments showed that a pilocarpine-induced rhythm in the prothoracic protractor and retractor motoneurons could be entrained by an intact forward or backward walking hind leg. In stick insects, this is the evidence for a long range ipsilateral inter-segmental connection that mediates sensory information from a stepping hind leg to the prothoracic CPGs.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Intra- und Inter-segmentalen Kontrollnetzwerke und ihre Anwendung zur Lokomotion von Insekten und Krebstieren German
Translated abstract:	Abstract Language Beim Laufen terrestrischer Tiere müssen die Bewegungen der Laufbeine kontinuierlich koordiniert werden um eine erfolgreiche Fortbewegung zu gewährleisten. Laufen ist ein zyklischer Prozess, dabei besteht ein einzelner Schritt aus einer Stemmphase, die für den Antrieb des Körpers sorgt, und aus einer Schwingphase, die das Bein zur nächsten Stemmphasenposition führt. Sensorische Signale, die ihren Ursprung in den sich in den Beinen befindenden sensorischen Organen haben, modulieren die rhythmische Aktivität der Motoneurone und damit die rhythmische Aktivität der antagonistischen Muskelpaare im Bein. Die Koordination der einzelnen Gelenke und der Aktivität der entsprechenden Muskelpaare eines Beins wird als intrasegmentale Koordination bezeichnet. Für das Laufen ist nicht nur die Koordination eines Beines essentiell, sondern auch die Koordination der gegenüberliegenden, und ipsilateralen Beine. Letzteres wird als intersegmentale Koordination bezeichnet und ist ebenfalls stark von sensorischen Einflüssen abhängig. In dieser Arbeit stelle ich drei Publikationen (Grabowska et al., 2012; Tóth et al., 2013; Grabowska et al., in rev.) und die Ergebnisse einer experimentellen Arbeit vor, die sich mit verschiedenen Aspekten der intra- und intersegmentalen Koordination befassen. Ein sehr gut untersuchter Modellorganismus für Fortbewegung ist die Stabheuschrecke Carausius morosus. An der Stabheuschrecke habe ich die intersegementale Koordination der Beine beim Laufen einerseits durch Videoanalyse des Laufverhaltens und andererseits durch elektrophysiologische Experimente zu intersegmentalen Verbindungen untersucht. Des Weiteren wurden experimentellen Ergebnisse zu inter- und intrasegmentalen Verbindungen in der Stabheuschrecke in mathematischen Modellen zusammengefasst, um das Laufverhalten zu beschreiben und um Hypothesen für bislang unbekannte neuronale Kontrollprozessen aufzustellen. Als erstes wird eine Studie vorgestellt, die sich mit dem Laufverhalten der Stabheuschrecke befasst (Grabowska et al., 2012). Hierfür wurden Laufsequenzen von adulten Stabheuschrecken gefilmt, die auf Untergründen mit unterschiedlichen Steigungen geradeaus gelaufen sind. Abhängig von der Steigung, benutzen die Tiere unterschiedliche Koordinationsmuster der Laufbeinbewegung . Schließlich wurden Koordinationsmuster von Stabheuschrecken untersucht, denen wir Vorder-, Mittel- oder Hinterbeine amputiert hatten. In Abhängigkeit vom amputierten Beinpaar erlaubten die Koordinationsmuster der verbliebenen Beine funktionelles Laufen oder nicht. Daraus konnten wir schließen, dass afferente Informationen von Sinnesorganen der von laufenden Vorder-, Mittel- und Hinterbeine unterschiedlich zur Bildung von koordiniertem Laufen beitragen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit einem neuromechanischen Modell, das das Anhalten und Starten eines Beines der Stabheuschrecke während des Laufens beschreibt (Tóth et al., 2013). Ein bereits bestehendes Modell für ein intrasegmentales neuronales Netzwerk des einzelnen Beins der Stabheuschrecke wurde um ein Model des Skelettmuskelsystems der Stabheuschrecke erweitert. Der Fokus lag auf der Ansteuerung der Aktivität von schnellen und langsamen Muskelfasern verschiedener Muskelpaare eines Stabheuschreckenbeins beim Starten und Anhalten während des Laufens. Für die Kopplung der einzelnen Beingelenke und der zugehörigen Muskulatur in diesem Modell wurden experimentell gewonnen Einflüsse sensorischer Signale verwendet, die Position und Winkelgeschwindigkeit der einzelnen Beingelenke kodieren. Die aus diesen Simulationen gewonnenen Ergebnisse, wie die zeitliche Komponente aktivierter Muskeln beim Anhalten und Starten von Stabheuschrecken, sowie der Zeitpunkt wann ein Schritt innerhalb eines Schrittzyklus beendet oder begonnen werden kann, zeigten große Ähnlichkeit mit den experimentellen Daten aus der Stabheuschrecke. Daher kann dieses Modell als physiologisch relevant angesehen werden und führt zu fundierten Hypothesen über die neuronalen Ansteuerungsprozesse der Beinmuskeln beim Starten und Stoppen von laufenden Stabheuschrecken. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde das zuvor genannte 3-CPG-MN Modell für die laufende Stabheuschrecke erweitert, um zu testen, ob es als fundamentaler Baustein für die Simulation von Fortbewegung von Tieren mit acht Laufbeinen, wie zum Beispiel bei Krebstieren, dienen kann (Grabowska et al., in rev.). Dazu wurde das 3-CPG-MN Netzwerk um ein weiteres segmentales Modul erweitert und es wurden zwei unterschiedliche Netzwerkarchitekturen des erweiterten Modelles getestet. Der allgemeine Aufbau der einzelnen Module des 3-CPG-MN Modells wurde dabei nicht verändert. Die Simulation bestimmten Laufverhaltens (Koordinationsmuster, Schrittfrequenz, Übergänge) von Krebstieren ist abhängig von dem Zeitpunkt eintreffender intersegmentaler erregender sensorischer Signale innerhalb einer Zyklusperiode des Protraktor/Retraktor-System des beeinflussten Segments. Mit Rücksicht auf eine Netzwerkarchitektur des 3-CPG-MN Modells, bei der eine kaudal-rostrale intersegmentale Verbindung jedes zweite Segment verbindet, konnte das 4-CPG-MN Modell alle Arten des Laufverhaltens von vorwärtslaufenden Krabben und Flusskrebsen reproduzieren. Dieses Modell unterstreicht die wichtige Rolle der zeitlichen Komponente der erregenden, sensorischen intersegmentalen Verbindungen in Tieren, die sich mit acht Beinen fortbewegen und schlägt mögliche neuronale intersegmentale Verbindungen vor. Zum Schluss werden experimentelle Daten vorgestellt, die zeigen, dass der zentrale Mustergenerator des Protraktor/Retraktor Systems (Thorax-Coxa Gelenk) im Prothorakalganglion im Rhythmus des laufenden ipsilateralen Hinterbeins beeinflusst wird. Diese ipsilaterale Verbindung wurde für das 3-CPG-MN-Modell von Daun-Gruhn und Tóth (2011) für die laufende Stabheuschrecke angenommen. Die Experimente haben gezeigt, dass ein durch Pilocarpin erzeugter Rhythmus der Protraktor- und Retraktor-Motoneurone im Prothorakalganglion an den Rhythmus eines vorwärts- und rückwärst laufenden, ipsilaterlalen Hinterbeins gekoppelt werden konnte. Mit diesen Experimenten ergeben sich für die Stabheuschrecke zum ersten Mal Hinweise für eine weit reichende intersegmentale Verbindung, die modulierende Signale von einem laufenden Hinterbein zu prothorakalen CPGs überträgt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Grabowska, Martyna m.grabowska@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Universität zu Köln
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-60978
Date:	October 2014
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 Locomotion English CPG English Arthropods English
Date of oral exam:	4 December 2014
Referee:	Name Academic Title Gruhn, Silvia Dr Büschges, Ansgar Prof. Dr. Schneider, Axel Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6097