The actions of neurons can alter the output of neural circuits and is, therefore, the basis of animal behavior. In order to fulfill their tasks the key players have to be well equipped with cellular properties like ion channels. To investigate intrinsic properties underlying behavior, isolated insect neurons have proven a good choice. Neuronal calcium acts as a charge carrier during information processing and as an intracellular messenger. Ca2+ signals are fundamental to numerous aspects of neuronal development and plasticity. Specific and independent regulation of these vital cellular processes is achieved by a rich bouquet of different calcium signaling mechanisms within the neuron. This study demonstrates a novel calcium signaling mechanism by simultaneous patch clamping and Ca2+ imaging from isolated central neurons. These neurons possess a membrane voltage sensor that, independent of calcium influx, causes G-protein activation, which leads to calcium release from intracellular stores via PLC and IP3 receptor activation. This allows neurons to monitor activity by intracellular calcium release without relying on calcium as the input signal and opens up new insights into intracellular signaling, developmental regulation, and information processing in neuronal compartments lacking calcium channels. To investigate the role of intrinsic properties for behavior, the genetic model system Drosophila melanogaster has been used in various studies. The Drosophila MN5 is a well described central neuron innervating the dorsolongitudinal flight muscle that is involved in the escape response pathway. We investigated in situ whole cell K+ currents in MN5 with different genetic background. In wildtype MN5 we describe 4 different K+ currents, 1) 4-AP sensitive A-type current, 2) 4-AP sensitive, Ca2+ dependent A-type current, 3) TEA-sensitive delayed rectifier (DR) current, 4) TEA-sensitive Ca2+ dependent DR current. The A-type current is probably mediated by the expression of Shaker, since in eag Shaker double knock down, the A-type current is markedly reduced and shifts in activation voltage occur. The targeted expression of EKO, a modulated Shaker channel that activates at more negative potentials and does not inactivate, also leads to shifts in activation voltage but does not reduce A-type current amplitude. The characterization of ion currents of identified neurons is necessary for further analysis of ion channel function regarding behavioral, developmental and morphological aspects. Dendrites are the fundamental determinant of neuronal wiring. Intrinsic neuronal activity as well as synaptic activity impinging on dendritic trees can have profound effects on dendritic structure, but the underlying mechanisms are not fully understood. This study uses the genetic model system Drosophila to test the effects of altered intrinsic excitability on postembryonic dendritic shape development of the MN5. We show that targeted dominant negative knock down of K+ channel subunits in specific motoneurons allows for selectively increasing the intrinsic excitability of these motoneurons, whereas targeted expression of EKO decreases intrinsic excitability in vivo. Increased excitability causes increased dendritic branch formation whereas decreased excitability causes increased dendritic branch elongation. Therefore, dendritic branching and dendritic segment elongation are controlled by separate mechanism which can be selectively addressed in vivo by different manipulations of a neuron`s intrinsic excitability.
Das Verhalten von Neuronen beeinflusst den Output neuronaler Netzwerke und ist damit die Grundlage vielfältiger verschiedener Verhaltensweisen von Tieren. Um diese Aufgabe bewerkstelligen zu können, müssen die beteiligten Neurone gut mit zellulären Eigenschaften wie Ionenkanälen ausgestattet sein. Für die Analyse intrinsischer Eigenschaften haben sich isolierte Insekten-Neurone als sehr nützlich erwiesen. Ca2+ Signale sind enorm wichtig für das Funktionieren und die Informationsweiterleitung eines Neurons. Gesteuerte Regulation dieser Ca2+ Dynamik wird durch die verschiedensten Ca2+ Signalwege erreicht. Hier beschreiben wir einen neuen Ca2+ Signalweg durch simultanes Patch Clamping und Ca2+ Imaging isolierter Neurone. Diese Neurone besitzen einen Spannungssensor, der Ca2+ unabhängig ein G-Protein aktiviert, was über PLC Aktivität zur IP3 Synthese führt. Die Aktivierung von IP3 Rezeptoren durch IP3 führt zur Ca2+ Ausschüttung aus internen Speichern. Dieser Mechanismus ist unabhängig von extern appliziertem Ca2+. Die Rolle intrinsischer Eigenschaften für Verhalten und Entwicklung kann man sehr gut an dem genetischen Modellorganismus Drosophila melanogaster untersuchen. Das MN5 in Drosophila ist ein gut untersuchtes zentrales Motoneuron, das den dorsolongitudinalen Flugmuskel innerviert. Wir untersuchten Whole Cell K+ Ströme im MN5 mit verschiedenem genetischen Hintergrund in situ. Im Wildtyp MN5 beschreiben wir vier verschiedene K+ Ströme: 1) A-Typ K+ Strom, 4-AP sensitiv, 2) A-Typ K+ Strom, 4-AP sensitiv, Ca2+ abhängig, 3) Delayed Rectifier (DR) K+ Strom, TEA- sensitiv, 4) DR K+ Strom, TEA-sensitiv, Ca2+ abhängig. Der A-Typ K+ Strom ist wahrscheinlich durch Shaker codiert, da der A-Typ K+ Strom im eag Shaker Doppel Knock Down stark reduziert und das Aktivierungspotential verschoben ist. Die gezielte Expression von EKO, ein modifizierter Shaker K+ Kanal, der bei negativeren Potentialen aktiviert und nicht inaktiviert, war auch das Aktivierungspotential verschoben, die Strom-Amplitude blieb unverändert. Die Charakterisierung der Ionenströme identifizierter Neurone in situ ist notwendig, um die Rolle von Ionenströmen auf Verhalten, Entwicklung und Morphologie untersuchen zu können. Dendriten leiten neuronale Signale weiter. Intrinsische neuronale Aktivität kann ebenso erhebliche Effekte auf die dendritische Struktur haben wie synaptische Aktivität. Hier nutzen wir das genetische Modellsystem Drosophila, um zu untersuchen, ob veränderte intrinsische Aktivität postembryonale Effekte auf die dendritische Struktur des MN5 hat. Wir zeigen, dass ein gezielter genetischer Knock Down bestimmter K+ Kanäle die intrinsische Erregbarkeit des MN5 in vivo erhöht, wohingegen Expression von EKO die Erregbarkeit stark verringert. Erhöhte Erregbarkeit führt zu einer Erhöhung der Anzahl dendritischer Verzweigungen, verringerte Erregbarkeit führt zu einer Verlängerung der Dendriten-Segmente. Verzweigung von Dendriten und Verlängerung der Segmente werden durch unterschiedliche Mechanismen kontrolliert, die man in vivo separat durch Manipulation der intrinsichen Erregbarkeit eines Neurons untersuchen kann.
