Universität zu Köln

Grätsch, Swantje (2018). Descending control of locomotion in the lamprey. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Locomotion underlies a dynamic interplay of a basic motor pattern that is generated by spinal neural networks, descending control originating from supraspinal structures, and sensory feedback from the periphery. Locomotion usually occurs intermittently and thus, it must be initiated, maintained, and eventually stopped. Over the past decades, the lamprey has been used as an experimental model to define the cellular mechanisms controlling locomotion in vertebrates. In this model, spinal central pattern generators (CPGs) have been characterized and shown to generate rhythmic muscle contractions needed for body propulsion. The spinal CPGs are controlled by brainstem reticulospinal (RS) neurons, which are activated by upstream brain structures, such as the mesencephalic locomotor region (MLR). The MLR initiates and controls locomotion in a graded fashion and plays a role in goal-directed locomotion. Its activity is in turn controlled by forebrain structures, such as the basal ganglia. The focus of my thesis was to examine descending projections from forebrain structures to the MLR as well as MLR projections to different RS cell populations in the lamprey lower brainstem. For this, electrophysiological, neuroanatomical, Ca2+ - imaging, and behavioral experiments were performed. In vertebrates, forebrain dopaminergic neurons of the substantia nigra pars compacta (SNc) are classically described to send ascending projections to the striatum, the input structure of the basal ganglia. In a first study (Ryczko et al., 2013), we identified in the lamprey a previously unknown descending dopaminergic pathway from the posterior tuberculum (PT; the homologue structure to the mammalian SNc) that directly innervates the MLR. Experiments were performed in semi-intact preparations, in which cellular activity can be correlated to active swimming movements of the intact body. It was demonstrated that electrical PT stimulation elicits RS cell activity as well as motor behavior. Both RS cell activity and locomotor output were significantly increased when dopamine was injected locally into the MLR. On the other hand, local injections of a D1 receptor antagonist in the MLR dramatically decreased RS cell activity and locomotor activity. It was concluded that this descending dopaminergic pathway provides extra excitation to the MLR and consequently increases the locomotor output. It was thought that this newly identified dopaminergic pathway acts in parallel with a descending glutamatergic pathway from the PT to the MLR. In a second study (Ryczko et al., 2017), the glutamatergic projection was examined in detail. One important finding was that the PT controls MLR activity and consequently the locomotor speed in a graded fashion: increasing stimulation intensity of the PT leads to increasing MLR cell activity and locomotor speed. Local blockade of glutamate receptors in the MLR dramatically diminishes locomotor activity elicited by PT stimulation. Local injections of a D1 receptor antagonist in the MLR also decreases locomotor frequency but surprisingly, the graded control of locomotor speed was still present. It was concluded that the PT controls the locomotor speed in a graded fashion through direct descending glutamatergic projections to the MLR. In a third study (Juvin*, Grätsch* et al., 2016), it was demonstrated that RS cells do not respond to MLR stimulation uniformly, but with three distinct activity patterns. One RS cell population responds with a transient burst of activity at the beginning of a MLR stimulation, a second group displays a sustained response throughout the MLR stimulation, and a third group of RS cells was shown to display two transient bursts of activity: a first burst of activity is generated at the beginning and a second burst occurs at the end of a MLR stimulation. These RS cells were recorded in semi-intact preparations, and it was demonstrated that the second burst of activity is strongly correlated to the end of a locomotor bout (‘termination burst’). Local application of glutamate on these RS cells was shown to stop ongoing swimming movements, whereas inactivation of glutamate receptors elicits a slower termination. As they contribute to the termination of locomotion, these RS cells are referred to as stop cells. It was shown that the ‘termination burst’ does not underlie specific membrane properties of stop cells but rather synaptic inputs to those cells. The aim of a fourth study (Grätsch et al., under review) was to define the origin of these synaptic inputs. An important finding was that ongoing locomotion can be stopped by electrical and pharmacological MLR activation. When the animal is at rest, MLR stimulation elicits locomotion, but it produces very different effects if stimulated during locomotion. It stops swimming if it is stimulated at low intensity and prolongs swimming if stimulated at a higher intensity. Furthermore it was shown that MLR stimulation at low intensity also triggers the ‘termination burst’ in stop cells. Electrophysiological and anatomical experiments revealed that at least some connections between MLR and stop cells are monosynaptic. Parts of this work are published in peer-reviewed journals (Ryczko et al., 2013; Ryczko et al., 2017; Juvin*, Grätsch* et al., 2016) or are under review (Grätsch et al.).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Lokomotion entsteht aus einem dynamischen Zusammenspiel dreierlei Komponenten: Den rhythmischen Bewegungsmustern, die von neuronalen Netzwerken im Rückenmark generiert werden, den absteigenden Einflüssen von supraspinalen Hirnstrukturen und den sensorischen Eingängen aus der Peripherie. Durch dieses Zusammenspiel können periodische Bewegungssequenzen generiert werden, die gestartet, aufrechterhalten und gestoppt werden müssen. Um die Bewegungskontrolle auf zellulärer Ebene untersuchen zu können, wurde in den letzten Jahrzehnten das Neunauge als Modellorganismus etabliert. In diesem basalen Wirbeltier wurden neuronale Netzwerke im Rückenmark identifiziert, zentrale Mustergeneratoren (ZMGs), die rhythmische Aktivität generieren und Muskelaktivität während der Fortbewegung steuern. Diese ZMGs werden von retikulospinalen (RS) Neuronen im Hirnstamm kontrolliert, welche wiederum von lokomotorischen Regionen, wie der mesenzephalen lokomotorischen Region (MLR), aktiviert werden. Die MLR kontrolliert die Initiierung und Aufrechterhaltung von Bewegung und spielt eine entscheidende Rolle bei der zielgerichteten Fortbewegung. Die Aktivität der MLR unterliegt dabei der Kontrolle von Hirnstrukturen im Vorderhirn, wie den Basalganglien. Diese Dissertation beschäftigt sich mit den absteigenden Eingängen, die die MLR aus dem Vorderhirn erreichen, sowie mit den absteigenden Projektionen der MLR zu unterschiedlichen RS Zellpopulationen im Hirnstamm. Hierfür wurden elektrophysiologische, neuroanatomische, bildgebende und Verhaltensversuche im Neunauge durchgeführt. Klassischerweise werden Projektionen von dopaminergen Neuronen der substantia nigra pars compacta (SNc) so beschrieben, dass sie aufsteigend zum Striatum, der Eingangsstation der Basalganglien, führen. In der ersten Studie (Ryczko et al., 2013) konnten dopaminerge Neurone des posterior tumberculum (PT, homolog zur SNc in Säugetieren) identifiziert werden, die absteigend auf die MLR projizieren. Versuche in semi-intakten Präparationen ermöglichen eine Korrelation der RS Zellaktivität mit aktiven Schwimmbewegungen. Hierbei wurde beobachtet, dass eine elektrische Stimulation des PT zu Aktivität in RS Zellen und zu aktiven Schwimmbewegungen führt. Im selben experimentellen Aufbau wurde außerdem eine signifikante Erhöhung der Aktivität in RS Zellen und im Schwimmverhalten beobachtet, wenn Dopaminrezeptoren der MLR lokal aktiviert wurden. Auf der anderen Seite führte ein pharmakologisches Blockieren von D1 Rezeptoren in der MLR zu einer Reduzierung der RS Zellaktitivät und des Schwimmverhaltens. Somit konnte in diesem Teil der Arbeit gezeigt werden, dass absteigende dopaminerge Nervenbahnen des PT die MLR direkt innervieren und die Aktivität der MLR sowie des Schwimmverhaltens erhöhen. Aufgrund von Vorstudien wurde bereits angenommen, dass neben den absteigenden dopaminergen Projektionen auch glutamaterge Neurone des PT die MLR direkt innervieren. Diese glutamatergen Projektionen wurde in der zweiten Studie untersucht (Ryczko et al., 2017). Eine wichtige Beobachtung dieser Studie war, dass die Aktivität der MLR und der Bewegungsgeschwindigkeit durch eine elektrische PT Stimulation graduell kontrolliert werden kann: je höher die Intensität der PT Stimulation, desto schneller wurden Bewegungsabläufe ausgeführt. Die Blockierung von Glutamatrezeptoren in der MLR hatte eine erhebliche Beeinträchtigung der Initiierung von Bewegungsabläufen zur Folge. Die Blockierung von D1 Dopaminrezeptoren in der MLR setzte die Schwimmgeschwindigkeit zwar signifikant herunter, eine graduelle Kontrolle der Schwimmgeschwindigkeit durch elektrische PT Stimulation war aber nach wie vor möglich. Daraus ergibt sich, dass absteigende glutamaterge PT Neurone für die graduelle Kontrolle der Schwimmgeschwindigkeit verantwortlich sind. In der dritten Studie (Juvin*, Grätsch* et al., 2016) konnte gezeigt werden, dass RS Zellen nicht uniform auf eine elektrische MLR Stimulation antworten, sondern drei unterschiedliche Aktivitätsmuster aufweisen. Eine Population von RS Zellen wird kurz am Beginn einer MLR Stimulation aktiviert, während eine zweite Zellpopulation Aktionspotentiale während der gesamten MLR Stimulation generiert. Interessanterweise wurde eine dritte Gruppe von RS Zellen identifiziert, die eine Salve von Aktionspotenzialen am Anfang und eine weitere Salve nach dem Ende einer MLR Stimulation produziert. In semi-intakten Präparationen wurde gezeigt, dass diese letzte Salve von Aktionspotentialen stark mit dem Ende der Schwimmepisode korreliert. Des Weitern wurde nachgewiesen, dass eine pharmakologische Aktivierung dieser RS Zellen Schwimmbewegungen beendet, während eine Inaktivierung dieser RS Zellen den Beendigungsprozess der Schwimmepisode stark beeinträchtigt. Da diese RS Zellen funktionell eng mit dem Ende von Bewegungsabläufen verknüpft ist, wurden sie Stopp Zellen genannt. Es war bisher unklar, wie Stopp Zellen währen einer Bewegung aktiviert werden und sie wiesen keine Membraneigenschaften auf, die ihr charakteristisches Aktivitätsmuster erklären. Daher wurden sie in der vierten Studie (Grätsch et al., in Begutachtung) auf synaptische Eingänge untersucht, die die zweite Salve von Aktionspotenzialen auslösen könnten. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass durch eine Stimulation der MLR während einer Bewegungsepisode, Stopp Zellen rekrutiert werden und somit das Ende des Bewegungsablaufs kontrolliert wird. Elektrophysiologische und anatomische Versuche weisen außerdem darauf hin, dass eine monosynaptische Verbindung zwischen der MLR und Stopp Zellen besteht. Teile dieser Arbeit wurden bereits in Fachzeitschriften publiziert (Ryczko et al., 2013; Ryczko et al., 2017; Juvin*, Grätsch* et al., 2016) oder sind im Begutachtungsverfahren (Grätsch et al.). German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Grätsch, Swantje swantje.graetsch@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-91521
Date:	28 May 2018
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 locomotor control English lamprey English mesencaphalic locomotor region English reticulospinal neurons English
Date of oral exam:	16 July 2018
Referee:	Name Academic Title Büschges, Ansgar Prof. Dr. Daun, Silvia Prof. Dr. Dubuc, Réjean Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9152