Universität zu Köln

Berendes, Volker (2016). Speed-dependent interaction of sensory signals and local, pattern-generating activity during walking in Drosophila. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Locomotion in six legged insects requires effective mechanisms for inter-leg coordination. Such mechanisms could be realized by mechanical coupling of the legs via the ground during stance phase, by direct connections between the rhythm generating networks in the ventral nerve cord (VNC) of these animals, or they could rely on an intersegmental exchange of phasic sensory feedback. This thesis investigates the role of local pattern-generating networks and inter-leg sensory influences for the generation of rhythmic motor activity during walking at different speeds in Drosophila. For this purpose, a series of already existing techniques was used in combination for the first time in the model organism Drosophila melanogaster. Single leg amputation was used to reduce sensory feedback of one leg allowing the residual stump to move freely and thereby providing insight into the rhythmic activity of motor pattern-generating networks in the VNC. This approach has already been used to investigate the control mechanisms of walking in several animals, including stick insects (e.g. Wendler, 1964) and cockroach (e.g. Delcomyn, 1988). In the present thesis, oscillation periods, phases, and absolute inter-segmental intervals of movements in the intact legs and single leg stumps were quantified in tethered flies walking on top of an air-cushioned ball. A similar setup has previously been used for several other animals such as cockroaches (Spirito and Mushrush, 1979) and also Drosophila (Seelig and Jayaraman, 2013; Seelig et al., 2010). High-speed video analysis of the walking behavior was performed manually (Strauss and Heisenberg, 1990; Wosnitza et al., 2013) as well as in semi automatic fashion (Branson et al., 2009; Mendes et al., 2013). The nan[36a] mutant (Kim et al., 2003), which has defective chordotonal organs, was used to investigate the influence of sensory feedback from chordotonal organs in the intact legs on movements of the stump. Consistent with findings in cockroaches and stick insects rhythmic oscillatory movements were found for stumps of single front, middle and hind legs during tethered walking in Drosophila. The stumps oscillated with a frequency of approximately 10 Hz that was largely consistent for the whole range of recorded walking speeds. Intact legs showed step periods of 100 ms only during relatively fast walking, thus, during slow walking sequences multiple stump oscillations were found for one step period of the intact legs. Consequently, the phase relation between stumps and intact legs was very variable at low walking speeds. Nevertheless, preferred absolute time intervals were found between intact leg liftoff and subsequent levation or depression onset in the stump, even if the frequency of stump oscillations was much higher than the step frequency of intact legs. With increasing walking speed the stump oscillations became highly coordinated with respect to the intact legs. Interestingly, the transition range to strong coordination occurred at the point where the stepping period in intact legs becomes very similar to the base frequency of the stump oscillations. Single middle leg stumps of nan[36a] mutant flies showed the same high frequency oscillations that were found during experiments with wild type flies. The stumps oscillated almost independently of walking speed with a movement period of about 100 ms. In contrast to wild type flies stump oscillations in the mutant flies failed to entrain to the stepping behavior of the intact legs at high walking speeds and the absolute time intervals between liftoff events in intact legs and subsequent onset of levation or depression in the stump were more variable. These results lead to the following four conclusions: First, a putative descending control of walking speed does not target the rhythm generating networks directly but it probably has an indirect influence by changing the gain factor of sensory signals, for instance. Second, if the relatively high frequency of stump oscillations reflects a high natural frequency of the investigated pattern generating networks this would facilitate the coordination at high walking speeds, where precise coordination is very important. Fourth, coordinating signals from the intact legs influences the stump movements even during slow walking, but it is probably more effective during fast walking where the stump shows a cycle to cycle coupling to the intact legs. This indicates a stronger inter-leg coordination at high walking speeds. Fourth, the chordotonal organs in the intact legs play an important role for this coordination. During the second part of this thesis the speed range and activity pattern of intact Drosophilae and single leg amputees were studied during voluntary untethered walking. For this purpose, a behavioral paradigm was created that allowed for the study of walking behavior in nine individual flies in separate petridish enclosures. Additionally, software was developed to provide a semi- automatic analysis of the recorded videos. It was found that compared to intact animals the occurrence of walking speeds above 5 mm/s was strongly reduced in amputees. During voluntary untethered walking hindleg amputees showed the highest speed range of all amputees. A reduced level of walking activity was found in frontleg and hindleg amputees, whereas middleleg amputees showed the same probability to walk as the intact animals. The flies walked in short bouts of mostly less than two seconds. As previously shown in the literature (Martin, 2004; Valente et al., 2007) the probability for fast walking was higher in the center of the walking arena compared to the area close to the wall of the enclosures, where the flies spend most of the time. In any case walking activity was only found for a maximum 30 % of the recorded time (in R2 amputees).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Fortbewegung von sechsbeinigen Insekten erfordert effektive Mechanismen um die Bewegung der Einzelbeine miteinander zu koordinieren. Solche Mechanismen könnte realisiert sein, durch mechanische Kopplung der Einzelbeine über den Boden während der Stemmphase, durch direkte Verbindungen zwischen den Rhythmus erzeugenden Netzwerken im ventralen Nervensystem dieser Tiere oder durch intersegmentalen Austausch von phasischer sensorischer Information. Die vorliegende Arbeit untersucht die Rolle von lokalen Rhythmus generierenden Netzwerken und dem Austausch von sensorischer Information zwischen den Beinen auf die Entstehung rhythmischer motorischer Aktivität beim Laufen mit verschiedenen Geschwindigkeiten bei Drosophila. Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von bereits existierenden Techniken das erste Mal in Kombination am Modellorganismus Drosophila verwendet. Amputationen einzelner Beine wurden durchgeführt um die sensorische Rückmeldung von einem Beines zu reduzieren, der Stumpf kann sich dabei frei bewegen und erlaubt dadurch Einblicke in die rhythmische Aktivität der mustergenerierenden Netzwerke im ventralen Nervensystem. Diese Methode wurde bereits bei verschiedenen Tieren eingesetzt um die Kontrollmechanismen des Laufens zu untersuchen dazu gehören Stabheuschrecken (z.B. Wendler, 1964) und Schaben (z.B. Delcomyn, 1988). In der vorliegenden Arbeit wurden Oszillationsperiode, Phasenlage und absolute intersegmentale Zeitintervalle bei der Bewegung von intakten Beinen und Stümpfen quantifiziert während die Tiere gehaltert auf einem Ball laufen, der auf einem Luftkissen schwebt. Ein ähnlicher experimenteller Aufbau wurde bereits bei verschiedenen anderen Tieren wie Schaben (Spirito and Mushrush, 1979) und auch Drosophila (Seelig and Jayaraman, 2013; Seelig et al., 2010) benutzt. Hochgeschwindigkeitsvideos des Laufverhaltens wurden manuell (Strauss and Heisenberg, 1990; Wosnitza et al., 2013) und halbautomatisch (Branson et al., 2009; Mendes et al., 2013) ausgewertet. Die nan[36a] Mutante, welche defekte Chordotonalorgane hat, wurde benutzt um den Einfluss sensorischer Information von den Chordotonalorganen in den intakten Beinen auf die Bewegungen des Stumpfes zu untersuchen. In Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schaben und Stabheuschrecken wurden rhythmische oszillatorische Bewegungen der Einzelbeinstümpfe von Vorder-Mittel und Hinterbein beim gehalterten Laufen von Drosophila gefunden. Die Stümpfe oszillierten mit einer Frequenz von etwa 10Hz und das relativ konstant über den gesamten Bereich der aufgezeichneten Laufgeschwindigkeiten. Intakte Beine zeigten eine Schrittdauer von 100 ms nur bei relativ schnellem Laufen, so dass bei langsamen Laufsequenzen häufig mehrere Oszillationen des Stumpfes während einer Schrittperiode der intakten Beine gefunden wurden. Als Konsequenz war die Phasenlage zwischen Stümpfen und intakten Beinen bei langsamen Läufen sehr variabel. Nichtsdestotrotz gab es vorherrschende Zeitintervalle zwischen dem Abheben der intakten Beine und direkt darauffolgenden Levationen oder Depressionen des Stumpfes, selbst wenn die Frequenz der Stumpfoszillationen viel höher war als die Schrittfrequenz der intakten Beine. Mit ansteigender Laufgeschwindigkeit wurden die Stumpfoszillationen im Bezug auf die intakten Beine sehr koordiniert. Interessanterweise lag der Übergangsbereich zu hoher Koordinationsstärke in dem Geschwindigkeitsbereich in dem die Schrittperiode der intakten Beine sich der Grundfrequenz der Stümpfe näherte. Einzelne Mittelbeinstümpfe der nan[36a] Mutante zeigten die gleichen hochfrequenten Oszillationen die auch während der Experimente mit wildtypischen Fliegen gefunden wurden. Die Stümpfe oszillierten fast unabhängig von der Laufgeschwindigkeit mit einer Periodendauer von um die 100 ms. Im Gegensatz zu wildtypischen Fliegen gab es keine Ankopplung der Stumpfoszillationen an die Schreitbewegungen der intakten Beine bei hohen Laufgeschwindigkeiten und die die absoluten Zeitintervalle zwischen dem Abheben der intakten Beine und direkt darauffolgenden Levationen oder Depressionen des Stumpfes waren variabler. Diese Ergebnisse führen zu den folgenden vier Annahmen: Erstens, eine mögliche zentrale Kontrolle der Laufgeschwindigkeit beeinflusst die CPGs nicht direkt sondern hat einen indirekten Einfluss, zum Beispiel auf die Verstärkungsfaktoren von sensorischen Signalen. Zweitens, wenn der relativ hohen Frequenz der Stumpfoszillationen eine hohe natürliche Frequenz der mustergenerierenden Netzwerke zugrunde liegt dann würde das die Koordination bei schnellem Laufen erleichtern, da dort eine präzise Koordination sehr wichtig ist. Drittens, ein koordinierendes Signal von den intakten Beinen beeinflusst die Bewegungen des Stumpfes auch beim langsamen Laufen, aber es ist effektiver beim schnellen Laufen, wo der Stumpf von Zyklus zu Zyklus an die intakten Beine gekoppelt ist. Viertens, die Chordotonalorgane in den intakten Beinen sind eine wichtige Quelle für diese koordinierenden Signale. Für den zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Geschwindigkeitsbereich und die Häufigkeit des Laufverhaltens von intakten und Einzelbein amputierten Tieren während spontanen ungehaltertem Laufens untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Verhaltensparadigma entwickelt das es erlaubte das Laufverhalten von 9 Fliegen in separaten Petrischalen zu untersuchen. Zusätzlich wurde Software entwickelt die eine teilautomatisierte Auswertung der aufgezeichneten Videos erlaubte. Es wurde herausgefunden, dass im Vergleich zu intakten Fliegen das Auftreten von Laufgeschwindigkeiten über 5mm/s, bei Fliegen mit Einzelbeinamputationen stark reduziert war. Bei spontanem ungehaltertem Laufen zeigen hinterbeinamputierte Tiere den größten Geschwindigkeitsbereich aller amputierten Tiere. Vorder und hinterbeinamputierte Tiere zeigten eine reduzierte Laufaktivität währenddessen mittelbeinamputierte Tiere mit der gleichen Wahrscheinlichkeit Laufen wie intakte Tiere. Die Fliegen laufen in kurzen Bouts von meist weniger als zwei Sekunden. Wie bereits in der Literatur gezeigt (z.B. Martin, 2004; Valente et al., 2007) war die Wahrscheinlichkeit für schnelle Läufe in der Mitte der Laufarena höher verglichen mit dem Rand, wo die Fliegen sich die meiste Zeit aufhalten. In jedem Fall wurde Laufaktivität nur in maximal 30% der aufgezeichneten Zeit beobachtet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Berendes, Volker Volker.Berendes@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-68835
Date:	July 2016
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 Drosophila, insect walking, locomotion, sensory feedback, inter-leg coordination, amputation UNSPECIFIED
Date of oral exam:	8 July 2016
Referee:	Name Academic Title Büschges, Ansgar Prof. Dr. Daun (ehem. Gruhn), Silvia PD Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6883