Universität zu Köln

Hammel, Elzbieta Irma (2017). Segment specificity of muscular and neuronal control in insect walking. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Locomotion depends on an interplay of neuronal activity, muscle contraction, and sensory feedback. In the limbed animal, the individual legs of the different thoracic segments, as well as the individual leg segments of each leg, and their antagonistic muscles, have to be coordinated with each other. For the stick insect, it is well known that the legs of the pro-, meso- and metathoracic segments have different functions in the straight walking and turning animal (Cruse 1976, Grabowska & Godlewska et al. 2012, Gruhn et al. 2009b). Despite of this, most studies on stick insect walking focused on the mesothoracic legs and their motoneuronal output (Bässler et al. 1996, Borgmann et al. 2007, Guschlbauer et al. 2007, Fischer et al. 2001, Bucher et al. 2003, Gruhn et al. 2016). With my thesis, I wanted to contribute to increase the knowledge for other legs of the stick insect Carausius morosus. Therefore, I investigated thorax- and leg-segment specific differences on the muscular and the neuronal level. In the first part of my thesis, I used mATPase histochemistry to investigate the muscle fiber composition in the six major leg muscles, protractor and retractor coxae, levator and depressor trochanteris, and extensor and flexor tibiae for the pro-, meso-, and metathorax. I demonstrated that most of these muscles contain three different fiber types: a slow, a fast, and an intermediate contracting one. While the proportions of the fiber types differed between the individual muscles, they were mostly consistent for the three analyzed thoracic segments. The only exceptions concerned the depressor trochanteris and retractor coxae, which both had increasing percentages of slow contracting fibers towards the metathoracic segment, suggesting a greater importance of these muscles for posture and tonic force production. In the second part of my thesis, I investigated the motor output of the deafferented meso- and metathoracic leg nerves nl2 (innervates the protractor coxae), nl5 (retractor coxae), C1 (levator trochanteris), C2 (depressor trochanteris), nl3 (extensor tibiae) and of branches of the nervus cruris (flexor tibiae) during front leg turning in a reduced preparation with only two front legs left. I showed, that the neuronal activities of the mesothoracic and metathoracic protractor and retractor coxae are specific for the turning direction, and similar in both thoracic segments. The neuronal activation of the levator and depressor trochanteris, on the other hand, was independent of the turning direction, and showed small thorax-segment specific differences, with a stronger depressor trochanteris activity in the meta- than in the mesothorax. The motoneuron pools of the most distal leg joint were very variable in their motor output. The leg nerves of the extensor and flexor tibiae tended to show direction specific activity in the mesothorax, with a stronger extensor tibiae activity outside, and flexor tibiae activity inside in half of the experiments. Such a tendency was not seen in the metathoracic motoneuron pools. In the third part of my thesis, I analyzed the involvement of local central pattern generators in the thorax-segment, and leg-segment specificity of the turning related motor output. For this purpose, I activated the local CPGs using the muscarinic agonist pilocarpine in a split-bath preparation. I was able to show that the pharmacologically evoked rhythm in the respective antagonistic motoneuron pools was changed towards the activation pattern observed in control turning conditions immediately after the initiation of front leg turning. This suggests that the observed changes in motor output are mediated through influences on the local central pattern generating networks.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Fortbewegung resultiert aus einem Zusammenspiel von neuronaler Aktivität, Muskelkontraktion und sensorischer Rückkopplung. In Insekten, die mehrere Gliedmaßen besitzen, müssen während der Fortbewegung nicht nur die individuellen thorakalen Segmente aufeinander abgestimmt werden, sondern ebenfalls die einzelnen Beingelenke und die sie kontrollierenden jeweiligen antagonistischen Muskeln. Für das Laufen der Stabheuschrecke ist schon lange bekannt, dass die einzelnen Beine unterschiedliche Funktionen haben (Cruse 1976, Grabowska & Godlewska et al. 2012, Gruhn et al. 2009b). Ungeachtet dessen, wurden in der Stabheuschrecke die meisten Studien an den Mittelbeinen und derer motoneuronalen Aktivität durchgeführt (Bässler et al. 1996, Borgmann et al. 2007, Guschlbauer et al. 2007, Fischer et al. 2001, Bucher et al. 2003, Gruhn et al. 2016). Mit der vorliegenden Doktorarbeit wollte ich dazu beitragen, die für Carausius morosus vorhandenen Wissenslücken für die anderen Beinpaare zu füllen. Hierfür führte ich Untersuchungen auf muskulärer und neuronaler Ebene durch. Im ersten Teil meiner Dissertation verwendete ich die Methode der mATPase Histochemie, um die Muskelfaser-Zusammensetzung der sechs wichtigsten Beinmuskeln zu untersuchen. Bei den untersuchten Muskeln handelte es sich um den Protractor und Retractor coxae, den Levator und Depressor trochanteris, und den Extensor und Flexor tibiae. Ich konnte zeigen, dass die meisten dieser Beinmuskeln aus langsamen, schnellen, und intermediären Muskelfasern bestanden. Während sich die Verhältnisse der Muskelfasertypen zueinander in den einzelnen Muskeln unterschieden, waren diese Verhältnisse für die einzelnen thorakalen Segmente konstant. Die einzigen Ausnahmen bildeten der Retractor coxae und der Depressor trochanteris. Diese beiden Muskeln wiesen einen in Richtung Metathorax ansteigenden Anteil an langsam kontrahierenden Muskelfasern auf, was darauf hindeutet, dass diese Muskeln für die Körperhaltung und die tonische Krafterzeugung entscheidend sind. Im zweiten Teil meiner Arbeit, untersuchte ich die motorische Aktivität der lokalen meso- und metathorakalen Beinnerven nl2 (innerviert den Protractor coxae), nl5 (Retractor coxae), C1 (Levator trochanteris), C2 (Depressor trochanteris), nl3 (Extensor tibiae), und der Nervenäste des nervus cruris (Flexor tibiae) in einem reduzierten Präparat, das mit seinen zwei verbliebenen Vorderbeinen Innen- und Außenkurven lief. Hier konnte ich zeigen, dass die Aktivitäten im Protracor und Retractor coxae-Nerv abhängig von der Kurvenrichtung unterschiedlich stark waren, und dies auf ähnliche Weise in Meso- wie im Metathorax. Die Aktivität der Beinnerven des Levator und Depressor trochanteris war hingegen unabhängig von der Kurvenrichtung, zeigte allerdings leichte Thoraxsegment-spezifische Unterschiede auf, da der Depressor trochanteris im Metathorax eine stärkere Aktivität aufwies als im Mesothorax. Die Motoneurone des Femur-Tibia-Gelenks wiesen im kurvenlaufenden Zwei-Bein-Präparat hinsichtlich ihrer Aktivität starke Variabilitäten auf. Allerdings konnte in der Hälfte der Experimente im mesothorakalen Extensor tibiae eine stärkere Aktivität in Außenkurven, und im Flexor tibiae eine stärkere Aktivität in Innenkurven beobachtet werden. Eine solche Tendenz wurde für die metathorakalen Motoneurone des Femur-Tibia-Gelenks nicht beobachtet. Im dritten Teil meiner Dissertation untersuchte ich die Beteiligung von lokalen zentralen Mustergeneratoren an den Thorax- und Bein-Segment spezifischen Unterschieden der motorischen Aktivität im kurvenlaufenden Präparat. Hierfür aktivierte ich die lokalen zentralen Mustergeneratoren mit dem muskarinergen Agonisten Pilokarpin in einer Split-Bath-Präparation. Dadurch konnte ich zeigen, dass sich der pharmakologisch aktivierte Rhythmus der jeweiligen Motoneuronenpaare bei Beginn der Vorderbeinbewegung soweit veränderte, als dass stets ein Aktivitätsmuster entstand, das dem ähnelte, welches in kurvenlaufenden Präparaten ohne Pilokarpin-Applikation beobachtet wurde. Dies lässt darauf schließen, dass die zuvor beobachteten Veränderungen der Motoraktivität auf Veränderungen der Aktivität der lokalen zentralen Mustergeneratoren zurückzuführen ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hammel, Elzbieta Irma egodlews@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-73549
Date:	20 January 2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Stick Insect UNSPECIFIED Locomotion UNSPECIFIED Neuronal Control UNSPECIFIED Muscles UNSPECIFIED
Date of oral exam:	1 December 2016
Referee:	Name Academic Title Büschges, Ansgar Prof. Dr. Kloppenburg, Peter Prof. Dr.
Funders:	Konrad-Adenauer-Stiftung
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7354