Universität zu Köln

Blumenthal, Felix (2018). Physiological and morphological analysis of a coordinating circuit. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

During swimming the four paired swimmerets on the crayfish’s abdomen are coordinated in an anteriorly proceeding metachronal wave with a phase lag of 23 ± 7% between each segment. Each swimmeret is innervated by motor neurons which are driven by local interneurons of the central pattern generator (CPG). The intersegmental coordination of the CPGs is achieved by three neurons located in each hemisegment that form a coordinating circuit. One ascending (ASCE) and one descending (DSC) Coordinating Neuron encode the information about the status of their home module and project it to other ganglia. A nonspiking neuron, Commissural Interneuron 1 (ComInt1), decodes this information transmitted by three Coordinating Neurons with a gradient of synaptic strength. The largest excitatory postsynaptic potential (EPSP) is elicited by the directly adjacent Coordinating Neurons, the smallest of the Coordinating Neurons whose origin is the most distant. Thereby, EPSPs elicited by ASCE are always larger than those of DSC. Coordinating Neurons adapt to the system’s excitation level by tuning their encoding properties, so that large differences in burst strength are encoded by a narrow range of spikes. This finding led to the hypothesis that ComInt1 also adapts to the level of excitation by similarly tuning its decoding abilities. Therefore, I recorded intracellularly from ComInt1 and changed the excitation level by bath application of carbachol (CCh; cholinergic agonist), crustacean cardioactive peptide (CCAP, muscarinic agonist), or edrophonium chloride (EdCl; acetylcholine esterase inhibitor). To investigate direct and indirect actions of the drugs, I analyzed ComInt1’s membrane oscillations and its EPSP shapes, resulting in the C1 intensity. Moreover, I analyzed its membrane potential changes and measured input resistance with the network intact and in the isolated neuron. ComInt1 adapts to the excitation level of its own CPG. Moreover, ComInt1 continuously samples the activity of its own microcircuit via an electrical synapse and receives perturbations transmitted via chemical synapses from the Coordinating Neurons. Therefore, it is capable to decode and to integrate information of the other three CPGs and to detect mismatches between the states of activity of all four ipsilateral coupled oscillators to synchronize those activities to each other. Secondly, I investigated how the gradient of synaptic strength in ComInt1 is achieved. I hypothesized that the different sized EPSPs are due to differences in the number of synapses or in the size of synapses the Coordinating Neurons form onto ComInt1. Therefore, I iontophoretically filled ComInt1 and single Coordinating Neurons with fluorescence dyes and immunohistochemically labeled presynaptic boutons of Coordinating Neurons with Anti-Synapsin. I identified synapses of Coordinating Neurons at the dorsal midline region, where ComInt1 has one ascending and descending dendritic branch. Moreover, the axons of the Coordinating Neurons pass through the other ganglia in this region. I calculated the volume of the colocalized areas of dye-filled Coordinating Neurons and immunohistochemically labeled presynaptic boutons, which provided the first evidence that the gradient of synaptic strengths has its origin in the synaptic composition.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Während des Schwimmens werden die vier paarigen Pleopoden (Swimmerets), die sich am Abdomen des Flusskrebses befinden, von posterior nach anterior in einer metachronalen Welle mit einer Phasenverzögerung von 23 ± 7% zwischen jedem Segment koordiniert. Dabei wird jeweils jeder einzelne Pleopod von Motorneuronen innerviert, die von einem individuellen, lokalen zentralen Mustergenerator (CPG), gesteuert werden. Die intersegmentale Koordination der CPGs wird durch drei Neurone in jedem Hemisegment erreicht, die ein koordinierendes Netzwerk bilden. Ein aufsteigendes (ASCE) und ein absteigendes (DSC) koordinierendes Neuron kodieren die Information über den Aktivitätsstatus ihres eigenen Moduls und projizieren diese Information zu den anderen Ganglien. Das Kommissurale Interneuron 1 (ComInt1), ein Neuron das keine Aktionspotenziale generiert, dekodiert diese Information, die von den drei koordinierenden Neuronen mit einem Gradienten an synaptischer Stärke übertragen wird. Dabei wird das größte erregende postsynaptische Potenzial (EPSP) von den direkt benachbarten koordinierenden Neuronen hervorgerufen, die kleinsten von den koordinierenden Neuronen deren Ursprung am weitesten entfernet ist. Dabei sind die EPSPs von ASCE immer größer als die von DSC. Die koordinierenden Neurone adaptieren an das Erregungslevel des Systems, indem sie ihre Kodierungseigenschaften an das Erregungslevel anpassen und so große Unterschiede in der Burststärke durch einen engen Bereich von Aktionspotenzialen kodieren können. Dieser Befund führte zu der Hypothese, dass ComInt1 seine Dekodierungseigenschaften ebenfalls an das Erregungslevel des Systems anpasst. Aus diesem Grund habe ich die intrazellulär gemessene Aktivität von ComInt1 aufgenommen und das Erregungsniveau des Systems geändert, indem ich Carbachol (CCh, ein cholinerger Agonist), das Peptid Crustacean Cardiocative Peptide (CCAP, ein muskarinischer Agonist) oder Edrophoniumchlorid (EdCl, ein Acetylcholinesterase-Inhibitor) appliziert habe. Um die direkten und indirekten Wirkungen der Chemikalien zu untersuchen, analysierte ich die Membranpotentialoszillationen und die EPSPs von ComInt1, zusammengefasst als C1-Intensität. Außerdem habe ich die Membranpotentialänderungen von ComInt1 analysiert, sowie den Eingangswiderstand der Membran in einem intakten Netzwerk und im isolierten Neuron gemessen. ComInt1 adaptierte an das Erregungslevel seines eignen CPGs, von dem es über eine elektrische Synapse kontinuierlich die Aktivität erfasste. Zudem empfing ComInt1 über chemische Synapsen periodische Eingänge von den koordinierenden Neuronen. Daher ist ComInt1 in der Lage, Informationen der anderen drei CPGs zu dekodieren, zu integrieren und Fehlanpassungen zwischen den Aktivitätszuständen aller vier ipsilateral gekoppelten Oszillatoren zu erkennen und diese Aktivitäten miteinander zu synchronisieren. In dem zweiten Teil meiner Arbeit untersuchte ich, wie der Gradient der synaptischen Stärke in ComInt1 erreicht wird. Ich stellte die Hypothese auf, dass die unterschiedlich großen EPSPs auf Unterschiede in der Anzahl der Synapsen oder auf die Größe der Synapsen zurückzuführen sind, die die koordinierenden Neurone und ComInt1 bilden. Um diese Hypothese zu untersuchen, habe ich ComInt1 und einzelne koordinierende Neurone iontophoretisch mit Fluoreszenzfarbstoffen gefärbt und präsynaptische Endigungen der koordinierenden Neurone immunohistochemisch mit Anti-Synapsin markiert. Ich identifizierte Synapsen von koordinierenden Neuronen dorsal an der Mittelline. In diesem Bereich hat ComInt1 einen aufsteigenden und absteigenden dendritischen Ast und die Axone der koordinierenden Neurone passieren hier die Ganglien. Ich berechnete das Volumen der kolokalisierten Bereiche der farbstoffgefüllten koordinierenden Neurone und immunohistochemisch markierten präsynaptischen Endigungen, die den ersten Hinweis dafür lieferten, dass der Gradient der synaptischen Stärke seinen Ursprung in der synaptischen Zusammensetzung hat. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Blumenthal, Felix f.blumenthal87@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-92679
Date:	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 Coordination English CPG English Hub neuron English
Date of oral exam:	3 September 2018
Referee:	Name Academic Title Wellmann, Carmen Dr. Büschges, Ansgar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9267