Mantziaris, Charalampos (2018). Intra- and Intersegmental Coordination among Central Pattern Generating Networks in an Insect Walking System. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In der thorakalen Ganglienkette der Stabheuschrecke Carausius morosus gibt es verschiedene neuronale Netzwerke, die eine oszillatorische Aktivität in Motoneuronen (MN) auslösen können und die als zentralen Mustergeneratoren (Central Pattern Generators, CPGs) bezeichnet werden. Diese treiben antagonistische Muskeln an den Beingelenken an. Für die Beinkoordination während des Gehens ist eine korrekte Phasenkopplung zwischen Gelenk-CPGs notwendig. Die CPG-Kopplung kann durch intersegmentale Signale und lokale sensorische Rückkopplung vermittelt werden. Es können jedoch auch zentrale Mechanismen existieren und zur CPG-Kopplung beitragen. Hier analysierte ich die Synchronisation, Phasendifferenz und Korrelation zwischen der Aktivität der contralateralen und ipsilateralen Depressor MN-Gruppen der deafferentierten thorakalen Ganglien, als Proxy für die intra- und intersegmentale Kopplung zwischen Coxa-Trochanter (CTr) Gelenk-CPGs, die den Depressor-Muskel von C. morosus antreiben. Ich habe herasusgefunden, dass eine Tendenz zu in- und anti-phasischer Aktivität zwischen kontralateralen Depressor MN Gruppen in den isolierten Meso- bzw. Metathorakalganglien besteht, dass es dagegen keine Hinweise auf eine koordinierte Aktivität zwischen den beiden Hälften des isolierten Prothorakalganglions gibt. In den miteinander verbundenen Ganglien wird die Koordination der Aktivität zwischen contralateralen Depressor MN Gruppen durch intersegmentale Einflüsse modifiziert. Ipsilaterale Depressor-MN-Gruppen der verbundenen meso- und metathorakalen Ganglien sind ebenfalls phasengekoppelt. Diese ipsilaterale Koordination wird darüber hinaus modifiziert, wenn alle drei thorakalen Ganglien miteinander verbunden sind. Die contralaterale Kopplung der Aktivität von Depressor MN Gruppen wird durch die Durchtrennung entweder der hinteren Kommissuren oder eines der Konnektive beeinflusst, jedoch nicht vollständig zerstört. Intrazellulär, zeigt die Depressor MN Aktivität dagegen keine mit dem kontralateralen Depressorzyklus korrelierte Modulation und eine Stimulation des Depressors MN beeinflusst die kontralaterale Aktivität nicht. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit in einem Insektenpräparat, dem die phasische sensorische Eingänge fehlen, eine schwache Kopplung zwischen den CTr-Gelenk-CPGs, die die Depressor MN Gruppen antreiben. Die intra- und intersegmentalen Phasenbeziehungen zwischen den MN Gruppen sind jedoch nicht den Mustern ähnlich, die in einer sich verhaltenden Stabheuschrecke beobachtet werden. Daraus kann man schlussfolgern, dass eine zentrale CPG-Kopplung alleine nicht ausreichend ist, um eine Beinkoordination während des Gehens zu erreichen. In einem Nebenprojekt fand ich, dass Oszillationen im Membranpotential von Protractor MN bestehen bleiben, nachdem spannungsaktivierte Na+-Kanäle unter Verwendung des nicht-selektiven Blockers QX 314 blockiert wurden. Dies deutet darauf hin, dass diese Oszillationen nicht auf Aktionspotential-bezogenen ionischen Mechanismen basieren.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
In the thoracic nerve cord of the stick insect Carausius morosus there are distinct neural networks, known as central pattern generators (CPGs), which can induce oscillatory activity in motor neuron (MN) pools that drive the antagonistic muscles attached to the leg joints. Proper phase-coupling among joint-CPGs is necessary for intra- and interleg coordination during walking. CPG coupling can be mediated by intersegmental signals and local sensory input. However, central mechanisms may also exist and contribute to CPG coupling. Here, I analyzed the synchronization, phase difference, and correlation between the activity of contralateral and ipsilateral depressor MN pools of the deafferented thoracic ganglia, as a proxy for intra- and intersegmental coupling among Coxa-Trochanter (CTr) joint-CPGs that drive the depressor muscle of C. morosus. I found a tendency for in- and anti-phase activity between contralateral depressor MN pools in the isolated meso- and metathoracic ganglia respectively, and no evidence for coordinated activity in the isolated prothoracic ganglion. In the interconnected ganglia, coordination of contralateral depressor MN activity is modified by intersegmental input. Ipsilateral depressor MN pools in the interconnected meso- and metathoracic ganglia are also phase-coupled. Ipsilateral coordination is further modified when all three thoracic ganglia are interconnected. Contralateral coupling between depressor MN pool activity is affected by sectioning either the posterior commissures or one of the connectives, yet not fully disrupted. Finally, intracellular depressor MN activity shows no modulation correlated with the contralateral depressor cycle, and depressor MN stimulation does not influence contralateral activity. Taken together, findings of this thesis reveal weak coupling among CTr-joint CPGs driving the depressor MN pools in an insect preparation lacking phasic sensory input. However, the intra- and intersegmental phase relationships between leg MN pools are not similar to the activity patterns observed in a behaving stick insect. Therefore, central CPG coupling alone is insufficient to bring about leg coordination during walking. In a side-project, I found that protractor MN membrane potential oscillations persist after blocking voltage-activated Na+ channels using the non-selective blocker QX 314. This indicates that oscillations are not based on action potential-related ionic mechanisms.English
Creators:
CreatorsEmailORCID
Mantziaris, Charalamposcmantzia@smail.uni-koeln.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-83184
Subjects: Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Central Pattern GeneratorsEnglish
PilocarpineEnglish
LocomotionEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Neurophysiologie
Language: English
Date: 23 April 2018
Date of oral exam: 14 June 2018
Referee:
NameAcademic Title
Büschges, AnsgarProf. Dr.
Nawrot, MartinProf. Dr.
Wellmann, CarmenDr.
Hammerschmidt, MatthiasProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8318

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