The role of dendritic architecture of an identified insect motoneuron on behavioral performance: Sub-dendritic synapse targeting and postembryonic dendritic geometry remodeling of an identified neuron subserve its changing behavioral role

Abstract

This thesis aimed to investigate whether there exist a positive structure- function interrelation between the specific arborization pattern of a dendritic tree and the changing function of an identified central neuron. The intriguing process of insect metamorphosis sets the frame of the work. A prominent feature of metamorphosis is the structural remodeling of neuronal architecture, which here will be exemplified through a well documented model system - the dendritic tree of the identified motoneuron 5 (MN5). The MN5 is part of the flight motor-network of the holometabolous insect Mandca sexta. In the 1st manuscript (Chapter 2) I present experiments which were designed to examine the dendritic structure and synapse distribution of the MN5 during development, focusing on the comparison of larval and adult morphology. I could show that GABAergic synapses are placed on the dendritic arbor, following stage specific distribution rules which clearly demonstrate a sub- dendritic targeting of synapse placement. In addition, multi-compartment simulations of the assessed sub-dendritic synapse distribution rules using solely passive models have been performed. These models provide a strong indication that in a purely passive dendritic tree, the stage specific branch pattern and sub-dendritic synapse distribution can contribute to a behaviorally adequate firing output. The second manuscript (Chapter 3) addresses effects of the pharmacological blockade of chloride currents on postembryonic developmental processes by systemic injections of picrotoxin. Conditions of hyper-excitability within the nervous system during metamorphosis increased the branching rate, resulting in an overgrowth of the MN5s’ dendritic tree, a decreased density of GABAergic synapses and affected motor performance of the adult. These results strongly indicate impairment of dendritic growth and synaptogenesis caused by a missing chloride influx. However, spectrum and mechanism by systemic injection of PTX and its effects are discussed. Das erste Manuskript (Kapitel 2) behandelt dendritische Struktur und Synapsenverteilungsmuster des MN5 während der Entwicklung, wobei der Vergleich zwischen larvaler und adulter Morphologie im Zentrum der Betrachtung steht. Ich konnte zeigen, dass GABAerge Synapsen im Dendritenbaum des MN5 entwicklungsabhängig unterschiedlich lokalisieren. Multi-Kompartment Simulationen der ermittelten Synapsenverteilung wurden anhand rein passiver Signalfortleitungseigenschaften durchgeführt. Diese Modell-Simulationen deuten darauf hin, dass die vom Entwicklungsstand abhängigen dendritischen Verzweigungsmuster und Synapsenverteilungen zu einer dem Verhalten adäquaten neuronalen Erregbarkeit beitragen können. In dem zweiten Manuskript (Kapitel 3) wird die Frage aufgeworfen, ob die pharmakologische Inhibition der von Chlorid-Ionen getragenen Ströme einen Einfluss auf die postembryonale Entwicklungsdynamik ausübt. Die durch diese Hemmung hervorgerufene neuronale Übererregbarkeit während der Metamorphose rief tatsächlich eine signifikante Längen- und Komplexitätszunahme des Dendritenbaumes des MN5 hervor. Ebenso wurden eine verminderte Dichte von GABAergen Eingängen auf dem Dendritenbaum und motorischen Verhaltensänderungen an adulten Tieren festgestellt Diese Ergebnisse deuten auf eine Beeinträchtigung, verursacht durch den fehlenden Chloridstrom, während des dendritischen Wachstums und der Synaptogenese hin. Bandbreite und Wirkmechanismus der durch systemische Injektion von Picrotoxin hervorgerufenen Effekte werden diskutiert.

Die hier vorliegende Dissertation untersucht den Zusammenhang zwischen den tief greifenden strukturellen und funktionellen Veränderungen, die ein Neuron während der - für holometabole Insekten typischen - Metamorphose durchläuft. Modellhaft wird dieser Prozess anhand des Dendritenbaums eines identifizierten Neurons, des Motorneurons 5 (MN5), dargestellt. Das MN5 ist Teil des Flugnetzwerkes des Tabakschwärmers, Manduca sexta. Das erste Manuskript (Kapitel 2) behandelt dendritische Struktur und Synapsenverteilungsmuster des MN5 während der Entwicklung, wobei der Vergleich zwischen larvaler und adulter Morphologie im Zentrum der Betrachtung steht. Ich konnte zeigen, dass GABAerge Synapsen im Dendritenbaum des MN5 entwicklungsabhängig unterschiedlich lokalisieren. Multi-Kompartment Simulationen der ermittelten Synapsenverteilung wurden anhand rein passiver Signalfortleitungseigenschaften durchgeführt. Diese Modell-Simulationen deuten darauf hin, dass die vom Entwicklungsstand abhängigen dendritischen Verzweigungsmuster und Synapsenverteilungen zu einer dem Verhalten adäquaten neuronalen Erregbarkeit beitragen können. In dem zweiten Manuskript (Kapitel 3) wird die Frage aufgeworfen, ob die pharmakologische Inhibition der von Chlorid-Ionen getragenen Ströme einen Einfluss auf die postembryonale Entwicklungsdynamik ausübt. Die durch diese Hemmung hervorgerufene neuronale Übererregbarkeit während der Metamorphose rief tatsächlich eine signifikante Längen- und Komplexitätszunahme des Dendritenbaumes des MN5 hervor. Ebenso wurden eine verminderte Dichte von GABAergen Eingängen auf dem Dendritenbaum und motorischen Verhaltensänderungen an adulten Tieren festgestellt Diese Ergebnisse deuten auf eine Beeinträchtigung, verursacht durch den fehlenden Chloridstrom, während des dendritischen Wachstums und der Synaptogenese hin. Bandbreite und Wirkmechanismus der durch systemische Injektion von Picrotoxin hervorgerufenen Effekte werden diskutiert.